JP7367369B2 - Humidifying hollow fiber membrane and humidifying hollow fiber membrane module using the same - Google Patents
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Description
本発明は、加湿用中空糸膜および加湿用中空糸膜モジュールに関するものである。さらに詳しくは、燃料電池システムに使用される加湿装置に好適に用いられる加湿用中空糸膜および加湿用中空糸膜モジュールに関するものである。 The present invention relates to a humidifying hollow fiber membrane and a humidifying hollow fiber membrane module. More specifically, the present invention relates to a humidifying hollow fiber membrane and a humidifying hollow fiber membrane module suitably used in a humidifying device used in a fuel cell system.
中空糸膜は、腎不全患者の血液浄化器などの医療用途や、浄水器用などの水処理用途に広く用いられている。また、ガス分離可能なサイズの孔を有しているため、種々の無機膜の中でも優れた気体分離性を示し、耐薬品性および耐熱性が求められる環境下においても使用可能である。このことから、近年では、中空糸膜を用いて燃料電池スタックの隔膜の加湿を行うための加湿用中空糸膜への用途が広がってきている。 Hollow fiber membranes are widely used in medical applications such as blood purifiers for patients with renal failure, and water treatment applications such as water purifiers. In addition, since it has pores large enough to allow gas separation, it exhibits excellent gas separation performance among various inorganic membranes, and can be used even in environments where chemical resistance and heat resistance are required. For this reason, in recent years, the use of hollow fiber membranes for humidification for humidifying the diaphragms of fuel cell stacks using hollow fiber membranes has been expanding.
燃料電池スタックの隔膜の加湿を行う加湿用中空糸膜としては、例えば、特許文献1に開示されているように、ポリスルホン系樹脂および親水性ポリビニルピロリドンの水溶性有機溶媒溶液よりなる紡糸原液から作製される中空糸膜が提案されている。かかる中空糸膜は、95℃温水に280時間浸漬した後においても、伸度が大幅に低下することがなく、そのため膜強度および耐久性の点で優れている。 A humidifying hollow fiber membrane for humidifying the diaphragm of a fuel cell stack can be produced from a spinning stock solution made of a water-soluble organic solvent solution of polysulfone resin and hydrophilic polyvinylpyrrolidone, as disclosed in Patent Document 1, for example. A hollow fiber membrane has been proposed. Such hollow fiber membranes do not significantly decrease in elongation even after being immersed in 95° C. hot water for 280 hours, and are therefore excellent in membrane strength and durability.
ここで、燃料電池は一般的に高温条件で作動した方が発電効率はよくなる傾向であることから、例えば、110℃といった高温環境下における性能維持が求められている。したがって、燃料電池システムに組み込まれている加湿用中空糸膜にはかかる温度条件下でその性能を発現することが求められる。 Here, since fuel cells generally tend to have better power generation efficiency when operated under high temperature conditions, they are required to maintain performance under high temperature environments of, for example, 110°C. Therefore, the humidifying hollow fiber membrane incorporated in the fuel cell system is required to exhibit its performance under such temperature conditions.
しかるに、従来から提案されてきた加湿用中空糸膜は、使用環境が高温・低湿度側にシフトするに伴い、水蒸気透過性能が低下する傾向にあった。かかる傾向は、例えば、中空糸膜の紡糸原液の一成分として用いられているポリビニルピロリドンが高温・低湿度環境下でその親水性が低下してしまうことが原因であると考えられる。したがって、高温・低湿度下での使用環境においても性能維持できるように、さらなる改良が求められている。 However, the hollow fiber membranes for humidification that have been proposed in the past have tended to have lower water vapor permeability as the environment in which they are used shifts to higher temperatures and lower humidity. This tendency is thought to be caused by, for example, the fact that the hydrophilicity of polyvinylpyrrolidone, which is used as a component of the spinning dope for hollow fiber membranes, decreases under high temperature and low humidity environments. Therefore, further improvements are required so that performance can be maintained even in environments of use under high temperature and low humidity.
特許文献2には、中空糸膜の主原料となる親水性ユニットのみからなる高分子と疎水性ユニットのみからなる高分子に、親水性ユニットと疎水性ユニットからなる共重合体高分子を加えた3成分から構成される中空糸膜について記載されている。しかしながら、上記の方法は、中空糸膜の血液適合性や、中空糸膜表面に対するタンパク質や有機物の付着抑制を達成させるための手段であり、本願発明のように水蒸気透過性に着目したものではない。 Patent Document 2 discloses 3 in which a copolymer polymer consisting of hydrophilic units and hydrophobic units is added to a polymer consisting only of hydrophilic units and a polymer consisting only of hydrophobic units, which are the main raw materials for hollow fiber membranes. A hollow fiber membrane composed of the following components is described. However, the above method is a means for achieving blood compatibility of the hollow fiber membrane and suppression of adhesion of proteins and organic substances to the hollow fiber membrane surface, and does not focus on water vapor permeability as in the present invention. .
また、特許文献3には、製膜時の相分離速度を制御することで中空糸膜の断面にフィンガーボイド構造を設けることにより、水蒸気透過性を高める方法が記載されている。しかしながら、上記の方法だけでは、水蒸気透過性を高めることはできても空気遮断性を充分に制御できない可能性がある。 Further, Patent Document 3 describes a method of increasing water vapor permeability by providing a finger void structure in the cross section of a hollow fiber membrane by controlling the phase separation rate during membrane formation. However, using only the above method, although water vapor permeability can be increased, air barrier properties may not be able to be sufficiently controlled.
本発明は、使用温度が高い場合においても高い水蒸気透過性を達成できる加湿用中空糸膜および、その中空糸膜モジュールを提供することをその課題とする。 An object of the present invention is to provide a hollow fiber membrane for humidification that can achieve high water vapor permeability even when the operating temperature is high, and a hollow fiber membrane module thereof.
上記課題を達成するため、本発明は以下の構成からなる。
1.加湿用中空糸膜表面の少なくとも一部に親水性ユニットと疎水性ユニットとからなる共重合体が被覆されている、加湿用中空糸膜。
2.前記疎水性ユニットは、カルボン酸ビニルユニットを少なくとも一種類含む上記1に記載の加湿用中空糸膜。
3.前記親水性ユニットは、ビニルピロリドンユニットを含む上記1~2のいずれかに記載の加湿用中空糸膜。
4.温度25℃、圧力50kPaの空気を乾燥状態の加湿用中空糸膜の内側から外側に向けて加えたときの空気透過速度が2.5mL/分/cm2/MPa以上300mL/分/cm2/MPa以下である、上記1~3のいずれかに記載の加湿用中空糸膜。
5.電子顕微鏡を用いて中空糸膜の長手に垂直な断面方向の膜構造を1000倍の倍率で観察した時に、フィンガーボイド構造を有する、上記1~4のいずれかに記載の加湿用中空糸膜。
6.中空糸膜のポリビニルピロリドン含有率が5%以下である上記1~5のいずれかに記載の加湿用中空糸膜。
7.中空糸膜の内径が500μm以上、1000μm以下、膜厚が60μm以上、200μm以下である上記1~6のいずれかに記載の加湿用中空糸膜。
8.前記加湿用中空糸膜がポリスルホン系ポリマーからなる、上記1~7のいずれかに記載の加湿用中空糸膜。
9.上記1~8のいずれかに記載の加湿用中空糸膜を搭載した中空糸膜モジュール。
In order to achieve the above object, the present invention consists of the following configuration.
1. A humidifying hollow fiber membrane, wherein at least a portion of the surface of the humidifying hollow fiber membrane is coated with a copolymer consisting of a hydrophilic unit and a hydrophobic unit.
2. 2. The humidifying hollow fiber membrane according to 1 above, wherein the hydrophobic unit includes at least one type of vinyl carboxylate unit.
3. 3. The humidifying hollow fiber membrane according to any one of 1 to 2 above, wherein the hydrophilic unit includes a vinylpyrrolidone unit.
4. When air at a temperature of 25°C and a pressure of 50 kPa is applied from the inside to the outside of a dry humidifying hollow fiber membrane, the air permeation rate is 2.5 mL/min/cm 2 /MPa or more and 300 mL/min/cm 2 / The humidifying hollow fiber membrane according to any one of 1 to 3 above, which has a pressure of MPa or less.
5. 5. The humidifying hollow fiber membrane according to any one of 1 to 4 above, which has a finger void structure when the membrane structure in a cross-sectional direction perpendicular to the longitudinal direction of the hollow fiber membrane is observed at a magnification of 1000 times using an electron microscope.
6. 6. The hollow fiber membrane for humidification according to any one of 1 to 5 above, wherein the content of polyvinylpyrrolidone in the hollow fiber membrane is 5% or less.
7. 7. The humidifying hollow fiber membrane according to any one of 1 to 6 above, wherein the hollow fiber membrane has an inner diameter of 500 μm or more and 1000 μm or less, and a membrane thickness of 60 μm or more and 200 μm or less.
8. 8. The humidifying hollow fiber membrane according to any one of 1 to 7 above, wherein the humidifying hollow fiber membrane is made of a polysulfone polymer.
9. A hollow fiber membrane module equipped with the humidifying hollow fiber membrane according to any one of 1 to 8 above.
本発明により得られる加湿用中空糸膜は、水蒸気透過性に優れた加湿用中空糸膜として有効に使用でき、かつ使用温度が高い場合、例えば110℃条件においても、加湿用中空糸膜および、その中空糸膜モジュールとしての性能低下が小さいといった優れた効果を提供することができる。 The humidifying hollow fiber membrane obtained by the present invention can be effectively used as a humidifying hollow fiber membrane with excellent water vapor permeability, and even when the operating temperature is high, for example, at 110 ° C., the humidifying hollow fiber membrane and It is possible to provide excellent effects such as a small decrease in performance as a hollow fiber membrane module.
本発明の加湿用中空糸膜は、加湿用中空糸膜表面の少なくとも一部に親水性ユニットと疎水性ユニットとからなる共重合体が被覆されていることを特徴とする。 The humidifying hollow fiber membrane of the present invention is characterized in that at least a portion of the surface of the humidifying hollow fiber membrane is coated with a copolymer consisting of a hydrophilic unit and a hydrophobic unit.
本発明において、ユニットとは、モノマーを重合して得られる(共)重合体中の繰り返し単位を指す。例えば、疎水性ユニットとは、疎水性モノマーを重合して得られる(共)重合体中の繰り返し単位を指す。また、カルボン酸ビニルユニットとは、カルボン酸ビニルモノマーを重合して得られる(共)重合体中の繰り返し単位を指す。 In the present invention, the unit refers to a repeating unit in a (co)polymer obtained by polymerizing monomers. For example, a hydrophobic unit refers to a repeating unit in a (co)polymer obtained by polymerizing a hydrophobic monomer. Moreover, the vinyl carboxylate unit refers to a repeating unit in a (co)polymer obtained by polymerizing a vinyl carboxylate monomer.
本発明において、疎水性ユニットとは、それ単独の重合体(数平均分子量が30,000以上50,000以下)では水に難溶または不溶である繰り返し単位と定義する。ここで、水に難溶または不溶とは、20℃の純水100gに対する溶解度が1g以下のことをいう。 In the present invention, a hydrophobic unit is defined as a repeating unit that is sparingly soluble or insoluble in water when used alone as a polymer (having a number average molecular weight of 30,000 or more and 50,000 or less). Here, "poorly soluble" or "insoluble" in water means that the solubility in 100 g of pure water at 20° C. is 1 g or less.
また、親水性ユニットとは、それ単独の重合体(数平均分子量が30,000以上50,000以下)で水に易溶である繰り返し単位と定義する。ここで、水が易溶とは、20℃の純水100gに対する溶解度が1gを超えることをいう。 In addition, the hydrophilic unit is defined as a repeating unit that is an independent polymer (having a number average molecular weight of 30,000 or more and 50,000 or less) that is easily soluble in water. Here, "easily soluble in water" means that the solubility in 100 g of pure water at 20° C. exceeds 1 g.
親水性ユニットとしては、特に限定しないが、メタクリル酸、アクリル酸、2-ヒドロキシエチルメタクリレート、2-ヒドロキシエチルアクリレート、ビニルピロリドン、ビニルアルコール、エチレングリコールなどのモノマーが与える繰り返し単位が挙げられる。これらのうち、疎水性ユニットとのバランスが取りやすいことから、ビニルピロリドンが与える繰り返し単位が好ましい。 Examples of the hydrophilic unit include, but are not limited to, repeating units provided by monomers such as methacrylic acid, acrylic acid, 2-hydroxyethyl methacrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, vinylpyrrolidone, vinyl alcohol, and ethylene glycol. Among these, repeating units provided by vinylpyrrolidone are preferred because they are easily balanced with hydrophobic units.
本発明の加湿用中空糸膜の表面に前記共重合体を導入する場合、前記共重合体を溶解した水溶液に中空糸膜を浸漬する方法、または中空糸膜を搭載した後述のモジュール内に前記共重合体を溶解した水溶液を通液させる方法が好ましい。このとき、水溶液の共重合体の濃度が小さすぎると十分な量の共重合体が表面に導入されない。よって、前記水溶液中の共重合体濃度は10ppm以上が好ましく、100ppm以上がより好ましく、300ppm以上がさらに好ましい。ただし、水溶液の共重合体の濃度が大きすぎると、中空糸膜からの溶出物の増加が懸念されるため、前記水溶液中の共重合体濃度は100,000ppm以下が好ましく、10,000ppm以下がより好ましい。ここで、中空糸膜の表面とは、中空糸の外表面および内表面の両方を意味する。 When the copolymer is introduced onto the surface of the humidifying hollow fiber membrane of the present invention, the hollow fiber membrane is immersed in an aqueous solution containing the copolymer, or the copolymer is introduced into the module equipped with the hollow fiber membrane, which will be described later. A method in which an aqueous solution in which the copolymer is dissolved is passed is preferred. At this time, if the concentration of the copolymer in the aqueous solution is too low, a sufficient amount of the copolymer will not be introduced onto the surface. Therefore, the copolymer concentration in the aqueous solution is preferably 10 ppm or more, more preferably 100 ppm or more, and even more preferably 300 ppm or more. However, if the concentration of the copolymer in the aqueous solution is too high, there is a concern that eluates from the hollow fiber membrane will increase. More preferred. Here, the surface of the hollow fiber membrane means both the outer surface and the inner surface of the hollow fiber.
なお、共重合体が水に難溶または不溶である場合は、中空糸膜を溶解しない有機溶媒、または、水と相溶し、かつ中空糸膜を溶解しない有機溶媒と水との混合溶媒に共重合体を溶解させてもよい。前記有機溶媒または混合溶媒に用いうる有機溶媒の具体例として、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール系溶媒が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 If the copolymer is poorly soluble or insoluble in water, use an organic solvent that does not dissolve the hollow fiber membrane, or a mixed solvent of water and an organic solvent that is compatible with water and does not dissolve the hollow fiber membrane. The copolymer may be dissolved. Specific examples of organic solvents that can be used as the organic solvent or mixed solvent include alcoholic solvents such as methanol, ethanol, and propanol, but are not limited thereto.
本発明の加湿用中空糸膜は、膜表面に導入した共重合体が使用時に溶出するのを防ぐため、共重合体を溶解した水溶液を膜表面に接触させた後、放射線照射や熱処理を行い、共重合体を不溶化することが好ましい。前記放射線照射にはα線、β線、γ線、X線、紫外線、電子線などを用いることができる。 In order to prevent the copolymer introduced into the membrane surface from eluting during use, the humidifying hollow fiber membrane of the present invention is subjected to radiation irradiation or heat treatment after contacting the membrane surface with an aqueous solution containing the copolymer. , it is preferable to insolubilize the copolymer. For the radiation irradiation, α rays, β rays, γ rays, X rays, ultraviolet rays, electron beams, etc. can be used.
本発明の加湿用中空糸膜において、前記共重合体を膜表面に導入する場合、放射線の照射線量は15kGy以上が好ましく、25kGy以上がより好ましい。前記共重合体を安定的に膜表面に導入するには15kGy以上が効果的なためである。また、前記照射線量は100kGy以下が好ましい。照射線量が100kGyを超えると、共重合体が3次元架橋やカルボン酸ビニルユニットのエステル基部分の分解などを起こしやすくなり、水蒸気透過性と空気遮断性の両立が困難となる場合があるためである。 In the humidifying hollow fiber membrane of the present invention, when the copolymer is introduced onto the membrane surface, the radiation dose is preferably 15 kGy or more, more preferably 25 kGy or more. This is because 15 kGy or more is effective for stably introducing the copolymer onto the membrane surface. Further, the irradiation dose is preferably 100 kGy or less. If the irradiation dose exceeds 100 kGy, the copolymer is likely to undergo three-dimensional crosslinking and decomposition of the ester group portion of the vinyl carboxylate unit, making it difficult to achieve both water vapor permeability and air barrier properties. be.
本発明において、放射線を照射する際の架橋反応を抑制するため、抗酸化剤を用いてもよい。抗酸化剤とは、ほかの分子に電子を与えやすい性質を持つ分子のことをいう。具体的には、ビタミンCなどの水溶性ビタミン類、ポリフェノール類、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール系溶媒が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの抗酸化剤は単独で用いてもよいし、2種類以上混合して用いてもよい。さらに放射線照射による処理を、中空糸膜をモジュールに組み込む工程の前に用いてもよいし、中空糸膜をモジュールに組み込む工程の後に用いてもよい。 In the present invention, an antioxidant may be used to suppress the crosslinking reaction during irradiation with radiation. Antioxidants are molecules that have the property of readily donating electrons to other molecules. Specific examples include, but are not limited to, water-soluble vitamins such as vitamin C, polyphenols, and alcoholic solvents such as methanol, ethanol, and propanol. These antioxidants may be used alone or in combination of two or more. Furthermore, the treatment by radiation irradiation may be used before the step of incorporating the hollow fiber membrane into the module, or may be used after the step of incorporating the hollow fiber membrane into the module.
前記疎水性ユニットは、カルボン酸ビニルユニットを少なくとも一種類含む。前記カルボン酸ビニルユニットの側鎖末端の炭素数は、1以上7以下である。ここで、側鎖末端の炭素数とは、カルボン酸ビニルユニットの側鎖エステル結合のカルボニル炭素原子に結合した末端炭化水素基の炭素数のことを指し、例えば、炭素数1とは酢酸ビニルのことを、炭素数2とはプロパン酸ビニルのことを指す。前記末端炭化水素基は、直鎖構造のみならずイソプロピル基やターシャリーブチル基のような分岐構造や、シクロヘキシル基やフェニル基のような環状構造、さらには、窒素原子、酸素原子のようなヘテロ原子を含んでいても良い。前記カルボン酸ビニルユニットの側鎖末端の炭素数を1以上7以下、好ましくは2以上6以下、より好ましくは2以上4以下である。これにより、共重合体の加湿用中空糸膜表面への吸着性、吸着水の運動性を制御することができ、高温時における加湿用中空糸膜の水蒸気透過性と空気遮断性を両立させることが可能となる。 The hydrophobic unit includes at least one type of vinyl carboxylate unit. The number of carbon atoms at the end of the side chain of the vinyl carboxylate unit is 1 or more and 7 or less. Here, the number of carbon atoms at the end of the side chain refers to the number of carbon atoms in the terminal hydrocarbon group bonded to the carbonyl carbon atom of the side chain ester bond of the vinyl carboxylate unit. For example, the number of carbon atoms at the end of the vinyl acetate unit is 1. In other words, the carbon number of 2 refers to vinyl propanoate. The terminal hydrocarbon group has not only a linear structure but also a branched structure such as an isopropyl group or a tert-butyl group, a cyclic structure such as a cyclohexyl group or a phenyl group, and a heterostructure such as a nitrogen atom or an oxygen atom. May contain atoms. The number of carbon atoms at the end of the side chain of the vinyl carboxylate unit is 1 or more and 7 or less, preferably 2 or more and 6 or less, and more preferably 2 or more and 4 or less. This makes it possible to control the adsorption of the copolymer to the surface of the humidifying hollow fiber membrane and the mobility of the adsorbed water, thereby achieving both water vapor permeability and air barrier properties of the humidifying hollow fiber membrane at high temperatures. becomes possible.
前記カルボン酸ビニルユニットの側鎖末端の炭素数が多すぎると、共重合体全体の疎水性が強くなるため、水を弾きやすくなる。また、側鎖末端の炭素数が0の場合は、加湿用中空糸膜表面への導入が困難となる。前記カルボン酸ビニルユニットに用いられるカルボン酸ビニルとしてより好ましいのは、酢酸ビニル(炭素数1)、プロパン酸ビニル(炭素数2)、酪酸ビニル(炭素数3)、ペンタン酸ビニル(炭素数4)、ピバル酸ビニル(炭素数4)である。 If the number of carbon atoms at the end of the side chain of the vinyl carboxylate unit is too large, the hydrophobicity of the entire copolymer will become stronger, making it easier to repel water. In addition, if the number of carbon atoms at the end of the side chain is 0, it becomes difficult to introduce it to the surface of the humidifying hollow fiber membrane. More preferable vinyl carboxylates used in the vinyl carboxylate unit are vinyl acetate (1 carbon number), vinyl propanoate (2 carbon atoms), vinyl butyrate (3 carbon atoms), and vinyl pentanoate (4 carbon atoms). , vinyl pivalate (4 carbon atoms).
前記共重合体において、共重合体全体に対する親水性ユニットのモル分率は、30%以上90%以下であることが好ましく、40%以上80%以下であることがより好ましく、50%以上70%以下であることがさらに好ましい。上記上限および下限のいずれかの値を組み合わせた範囲であってもよい。前記親水性ユニットのモル分率が、小さすぎると共重合体全体の疎水性が強くなるため、加湿用中空糸膜が水を弾きやすくなる。また、大きすぎると共重合体全体の親水性が強くなり、共重合体周囲の吸着水の運動性が低くなり、高温時の水蒸気透過性を維持しにくくなる。 In the copolymer, the mole fraction of the hydrophilic unit to the entire copolymer is preferably 30% or more and 90% or less, more preferably 40% or more and 80% or less, and 50% or more and 70%. It is more preferable that it is the following. The range may be a combination of any of the above upper and lower limits. If the molar fraction of the hydrophilic unit is too small, the hydrophobicity of the entire copolymer will become strong, making it easier for the humidifying hollow fiber membrane to repel water. On the other hand, if it is too large, the hydrophilicity of the entire copolymer becomes strong, the mobility of adsorbed water around the copolymer becomes low, and it becomes difficult to maintain water vapor permeability at high temperatures.
前記共重合体における親水性ユニットと疎水性ユニットの配列としては、グラフト共重合体、ブロック共重合体、交互共重合体、ランダム共重合体などが挙げられる。前記共重合体は、例えば、アゾ系開始剤を用いたラジカル重合法に代表される連鎖重合法により合成できるが、合成法はこれだけに限られるものではない。 Examples of the arrangement of hydrophilic units and hydrophobic units in the copolymer include graft copolymers, block copolymers, alternating copolymers, and random copolymers. The copolymer can be synthesized, for example, by a chain polymerization method typified by a radical polymerization method using an azo initiator, but the synthesis method is not limited to this.
本発明の加湿用中空糸膜の膜表面への共重合体の導入量は、後述のとおり、全反射赤外分光法(ATR-IR)により定量可能である。また、必要に応じて、X線電子分光法(XPS)などによっても定量可能である。ここで膜表面とは、水蒸気が接触する中空糸膜外表面のことを指す。 The amount of the copolymer introduced onto the membrane surface of the humidifying hollow fiber membrane of the present invention can be quantified by total reflection infrared spectroscopy (ATR-IR), as described below. Furthermore, if necessary, it can also be quantified by X-ray electron spectroscopy (XPS) or the like. Here, the membrane surface refers to the outer surface of the hollow fiber membrane with which water vapor comes into contact.
本発明において、ATR-IRにより、疎水性ユニットにカルボン酸ビニルユニットを含む共重合体の表面導入量を定量する際には、膜表面の異なる3箇所において、1730cm-1付近の共重合体カルボン酸ビニルユニットのエステル基C=O由来の赤外吸収ピーク面積(AC=O)の、1580cm-1付近のポリスルホンのベンゼン環C=C由来の赤外吸収ピーク面積(AC=C)に対する比(AC=O)/(AC=C)を算出する。同一の中空糸膜における任意の3箇所で測定し、その平均値を共重合体の表面導入量とする。本発明においては、カルボン酸ビニルユニットを有さない、親水性ユニットのみからなる単独重合体を用いる場合や、そもそも中空糸膜が重合体で被覆されていない場合は、1730cm-1付近の共重合体カルボン酸ビニルユニットのエステル基C=O由来の赤外吸収ピーク面積(AC=O)が検出されない。従って、上記の測定方法により、親水性ユニットと疎水性ユニットとからなる共重合体が中空糸膜の表面に被覆されていないことがわかる。なお、ATR-IRでは深さ数マイクロメートルまでの表面の測定が可能である。 In the present invention, when quantifying the surface introduction amount of a copolymer containing a carboxylic acid vinyl unit as a hydrophobic unit by ATR-IR, the copolymer carboxyl group near 1730 cm-1 is measured at three different locations on the membrane surface. The ratio of the infrared absorption peak area (AC=O) derived from the ester group C=O of the acid vinyl unit to the infrared absorption peak area (AC=C) derived from the benzene ring C=C of polysulfone near 1580 cm Calculate AC=O)/(AC=C). Measurements are taken at three arbitrary locations on the same hollow fiber membrane, and the average value is taken as the amount of copolymer introduced onto the surface. In the present invention, if a homopolymer consisting only of hydrophilic units without vinyl carboxylate units is used, or if the hollow fiber membrane is not coated with a polymer in the first place, copolymer polymers near 1730 cm The infrared absorption peak area (AC=O) derived from the ester group C=O of the combined vinyl carboxylic acid unit is not detected. Therefore, by the above measurement method, it can be seen that the surface of the hollow fiber membrane is not coated with the copolymer consisting of a hydrophilic unit and a hydrophobic unit. Note that ATR-IR can measure surfaces up to a depth of several micrometers.
本発明において、加湿用中空糸膜の水蒸気透過性と空気遮断性を両立するために、共重合体の表面導入量が0.01以上であることが好ましく、0.04以上であることがより好ましく、0.08以上であることがさらに好ましい。 In the present invention, in order to achieve both water vapor permeability and air barrier properties of the humidifying hollow fiber membrane, the amount of copolymer introduced into the surface is preferably 0.01 or more, more preferably 0.04 or more. It is preferably 0.08 or more, and more preferably 0.08 or more.
本発明の加湿用中空糸膜は、前記共重合体を用いることにより、高温時の水蒸気透過性と空気遮断性を両立できる。したがって、本発明の加湿用中空糸膜を高温作動が求められる燃料電池システムに用いると、その効果を顕著に確認可能である。 By using the copolymer, the humidifying hollow fiber membrane of the present invention can achieve both water vapor permeability and air barrier properties at high temperatures. Therefore, when the humidifying hollow fiber membrane of the present invention is used in a fuel cell system that requires high temperature operation, its effects can be clearly confirmed.
本発明の加湿用中空糸膜は、温度25℃、圧力50kPaの空気を乾燥状態の加湿用中空糸膜の内側から外側に向けて加えたときの空気透過速度が2.5mL/分/cm2/MPa以上300mL/分/cm2/MPa以下であることが好ましい。 The humidifying hollow fiber membrane of the present invention has an air permeation rate of 2.5 mL/min/cm 2 when air at a temperature of 25° C. and a pressure of 50 kPa is applied from the inside to the outside of the dry humidifying hollow fiber membrane. /MPa or more and 300 mL/min/cm 2 /MPa or less.
空気透過速度が2.5mL/分/cm2/MPa以上であると、水蒸気回収率の温度依存性を小さくできる観点から好ましい。一方、空気透過速度が300mL/分/cm2/MPa以下であると、燃料電池システムに適用する場合、始動時の供給燃料の損失による、燃料供給量の増能を抑えられる観点から好ましい。 It is preferable that the air permeation rate is 2.5 mL/min/cm 2 /MPa or more from the viewpoint of reducing the temperature dependence of the water vapor recovery rate. On the other hand, when the air permeation rate is 300 mL/min/cm 2 /MPa or less, when applied to a fuel cell system, it is preferable from the viewpoint of suppressing increase in fuel supply amount due to loss of supplied fuel at startup.
加湿用中空糸膜の水蒸気透過性を高められる観点から、空気透過速度が5.0mL/分/cm2/MPa以上であることがさらに好ましい。一方、供給燃料の損失が小さくなることで幅広いスペックの燃料電池スタックに適用できる観点から、250mL/分/cm2/MPa以下であることがさらに好ましい。 From the viewpoint of increasing the water vapor permeability of the humidifying hollow fiber membrane, it is more preferable that the air permeation rate is 5.0 mL/min/cm 2 /MPa or more. On the other hand, from the viewpoint of being applicable to fuel cell stacks with a wide range of specifications by reducing the loss of supplied fuel, it is more preferably 250 mL/min/cm 2 /MPa or less.
本発明の加湿用中空糸膜は、電子顕微鏡を用いて中空糸膜の長手に垂直な断面方向の膜構造を1000倍の倍率で観察を行った時に、フィンガーボイド構造を有する。本発明において、フィンガーボイドとは、人が拇印を押した跡の様な孔のことを示し、詳しくは、上記観察を行った際に、内表面部分および外表面部分の最も大きな空隙部分の面積(中空糸膜の長手に垂直な断面写真の空隙部分最大長を直径とした時の円面積)と比べて10倍以上の面積の空隙が存在する孔のことをいう。さらに、このフィンガーボイドを持っている中空糸膜構造をフィンガーボイド構造とする。
フィンガーボイドの形状としては、例えば図1に示すように、一つのフィンガーボイドを内表面から外表面に向かって2分割した線をX軸10とし、この時のX軸の長さと、X軸に対して垂線を引いたY軸20の長さが、Y軸に対してX軸の長さが、1.1倍以上が好ましく、1.5倍以上がさらに好ましい。
The hollow fiber membrane for humidification of the present invention has a finger void structure when the membrane structure in a cross-sectional direction perpendicular to the length of the hollow fiber membrane is observed at a magnification of 1000 times using an electron microscope. In the present invention, a finger void refers to a hole that looks like a thumbprint left by a person, and more specifically, when the above observation is performed, the area of the largest void on the inner surface portion and the outer surface portion is (Circular area when the diameter is the maximum length of the void part in a cross-sectional photograph perpendicular to the length of the hollow fiber membrane). Furthermore, the hollow fiber membrane structure having this finger void is referred to as a finger void structure.
As for the shape of a finger void, for example, as shown in Fig. 1, the line that divides one finger void into two from the inner surface to the outer surface is defined as the X-axis 10, and the length of the X-axis at this time and the The length of the Y-axis 20, which is a perpendicular line, is preferably 1.1 times or more, and more preferably 1.5 times or more, the length of the X-axis.
加湿用中空糸膜の横手断面の膜構造としては、内表面から外表面、もしくは外表面から内表面へと順次膜孔径が大きくなる非対称構造では、水蒸気の透過(拡散)抵抗が大きくなり、水蒸気透過性は低下する。さらに、内表面から外表面へ同じ膜孔径の対象構造(均質膜)に関しては選択透過性(空気遮断性)が低く、水蒸気透過性と空気遮断性を両立することは困難である。本発明の加湿用中空糸膜は、最内表面部分と最外表面部分はフィンガーボイド部分と比べて孔経が小さく、中央部分のフィンガーボイド構造を有することで、水蒸気透過性を向上させるものである。 The membrane structure of a humidifying hollow fiber membrane in the transverse cross section is an asymmetric structure in which the membrane pore diameter increases sequentially from the inner surface to the outer surface or from the outer surface to the inner surface, and the resistance to water vapor transmission (diffusion) increases. Permeability decreases. Furthermore, for a target structure (homogeneous membrane) with the same membrane pore size from the inner surface to the outer surface, the selective permeability (air barrier property) is low, and it is difficult to achieve both water vapor permeability and air barrier property. The humidifying hollow fiber membrane of the present invention has a smaller pore size in the innermost surface portion and the outermost surface portion than in the finger void portion, and has a finger void structure in the central portion, thereby improving water vapor permeability. be.
加湿用中空糸膜の横手断面のフィンガーボイド数としては、電子顕微鏡の倍率1000倍で観察し、観察視野の12000μm2あたりに、3個以上あることが好ましく、さらに、5個以上がより好ましい。フィンガーボイドが3個未満の場合は、中空糸膜製膜時のフィンガーボイド構造の特徴である、水蒸気透過性の向上を期待できなくなる場合がある。また、フィンガーボイドの数が多すぎても、中空糸膜の耐圧性を低下させる可能性があるため、30個以下が好ましく、さらに、20個以下がより好ましい。 The number of finger voids in the transverse cross section of the humidifying hollow fiber membrane is preferably 3 or more, more preferably 5 or more, per 12,000 μm 2 of the observation field when observed with an electron microscope at a magnification of 1000 times. If the number of finger voids is less than three, it may not be possible to expect an improvement in water vapor permeability, which is a characteristic of the finger void structure during hollow fiber membrane production. Further, even if the number of finger voids is too large, the pressure resistance of the hollow fiber membrane may be reduced, so the number is preferably 30 or less, and more preferably 20 or less.
本発明の加湿用中空糸膜は、内径が500μm以上、1000μm以下であることが好ましい。500μm未満の場合は、中空糸膜の中空部に高流量空気を流したときに、中空部の入口から出口にかけての圧力が上昇し、最悪、中空糸膜の糸切れが起こる場合がある。一方、1000μmを超える場合は、加湿用中空糸膜を搭載したモジュールにおいて、加湿用中空糸膜の外側の空気の流れが偏り、中空糸膜を有効に活用できない場合がある。また、中空糸膜が太くなりすぎると、モジュールのサイズが大型になりやすく、省スペース化には向かない。その為、内径は500μm以上、1000μm以下であることが好ましい。 The humidifying hollow fiber membrane of the present invention preferably has an inner diameter of 500 μm or more and 1000 μm or less. If it is less than 500 μm, when a high flow rate of air is flowed through the hollow portion of the hollow fiber membrane, the pressure from the inlet to the outlet of the hollow portion will increase, and in the worst case, the hollow fiber membrane may break. On the other hand, if it exceeds 1000 μm, in a module equipped with a humidifying hollow fiber membrane, the flow of air outside the humidifying hollow fiber membrane may be biased, and the hollow fiber membrane may not be utilized effectively. Furthermore, if the hollow fiber membrane becomes too thick, the size of the module tends to increase, which is not suitable for space saving. Therefore, the inner diameter is preferably 500 μm or more and 1000 μm or less.
また、膜厚は60μm以上、200μm以下であることが好ましい。膜厚が60μm以下の場合は、中空糸膜の破断強力が低下し、高流量空気を与えた場合に中空糸膜の糸切れが起こる場合がある。また、膜厚が200μmを超える場合は、中空糸膜の製膜時の構造制御安定性に欠け、中空糸膜空隙部分の製膜再現性が乏しくなる場合がある。 Further, the film thickness is preferably 60 μm or more and 200 μm or less. When the membrane thickness is 60 μm or less, the breaking strength of the hollow fiber membrane decreases, and when a high flow rate of air is applied, the hollow fiber membrane may break. Further, if the membrane thickness exceeds 200 μm, the structural control stability during the formation of the hollow fiber membrane may be lacking, and the reproducibility of the membrane formation in the void portion of the hollow fiber membrane may be poor.
本発明の加湿用中空糸膜を構成する材料は特に限定されるものではないが、ポリスルホン系ポリマー、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリエステルなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。中でも、ポリスルホン系ポリマーやポリメチルメタクリレートは、中空糸膜を形成させやすく、また、前記共重合体、すなわちエステル基含有ポリマーにより加湿用中空糸膜表面に導入しやすいため好適に用いられる。 The materials constituting the humidifying hollow fiber membrane of the present invention are not particularly limited, but include polysulfone polymers, polystyrene, polyurethane, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, and polyvinyl chloride. , polyester, etc., but are not limited thereto. Among these, polysulfone-based polymers and polymethyl methacrylate are preferably used because they are easy to form hollow fiber membranes, and the copolymers, ie, ester group-containing polymers, are easy to introduce onto the surface of humidifying hollow fiber membranes.
本発明において、加湿用中空糸膜の主原料はポリスルホン系ポリマーであることがより好ましい。ここで、ポリスルホン系ポリマーとは、主鎖に芳香環、スルフォニル基およびエーテル基を有するポリマーであり、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリルエーテルスルホンなどが挙げられる。また、主原料とは、ポリスルホン系ポリマー全体に対して90重量%以上含まれる原料を表す。 In the present invention, it is more preferable that the main raw material of the humidifying hollow fiber membrane is a polysulfone polymer. Here, the polysulfone-based polymer is a polymer having an aromatic ring, a sulfonyl group, and an ether group in the main chain, and includes polysulfone, polyphenylsulfone, polyethersulfone, polyallylethersulfone, and the like. Further, the main raw material refers to a raw material that is contained in an amount of 90% by weight or more based on the entire polysulfone polymer.
本発明における加湿用中空糸膜の主原料として、例えば、次式(1)及び/又は(2)の化学式で示されるポリスルホン系ポリマーが好適に使用されるが、これらに限定されるものではない。式中のnは1以上の整数であり、好ましくは50~80である。なお、nが分布を有する場合は、その平均値をnとする。 As the main raw material for the humidifying hollow fiber membrane in the present invention, for example, polysulfone polymers represented by the following chemical formulas (1) and/or (2) are preferably used, but the invention is not limited to these. . n in the formula is an integer of 1 or more, preferably 50 to 80. Note that when n has a distribution, its average value is set to n.
本発明の加湿用中空糸膜に用いることができるポリスルホン系ポリマーは、上記式(1)及び/又は(2)で表される繰り返し単位のみからなるポリマーが好適ではあるが、本発明の効果を妨げない範囲で他のモノマーと共重合したり、変性体であっても良い。他のモノマーと共重合している場合における他のモノマーの共重合比率は、ポリスルホン系ポリマー全体に対して10重量%以下であることが好ましい。 The polysulfone-based polymer that can be used in the humidifying hollow fiber membrane of the present invention is preferably a polymer consisting only of repeating units represented by the above formula (1) and/or (2), but the effects of the present invention cannot be improved. It may be copolymerized with other monomers or modified as long as it does not interfere. When copolymerized with other monomers, the copolymerization ratio of the other monomers is preferably 10% by weight or less based on the entire polysulfone polymer.
本発明の加湿用中空糸膜に用いることができるポリスルホン系ポリマーの具体例としては、ユーデルポリスルホンP-1700、P-3500(ソルベイ社製)、ウルトラソンS3010、P3010、S6010(BASF社製)、ビクトレックス(住友化学株式会社製)、レーデルA(ソルベイ社製)、ウルトラソンE(BASF社製)等のポリスルホン系ポリマーが挙げられる。 Specific examples of polysulfone polymers that can be used in the humidifying hollow fiber membrane of the present invention include Udel polysulfone P-1700, P-3500 (manufactured by Solvay), Ultrason S3010, P3010, S6010 (manufactured by BASF). , Victrex (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), Radel A (manufactured by Solvay), and Ultrason E (manufactured by BASF).
本発明の中空糸膜モジュールを製造する方法としては、その用途により、種々の方法があるが、大まかな工程としては、加湿用中空糸膜の製造工程と、その加湿用中空糸膜をモジュールに組み込む工程とにわけることができる。 There are various methods for manufacturing the hollow fiber membrane module of the present invention depending on its use, but the general steps include the process of manufacturing a humidifying hollow fiber membrane, and the process of manufacturing the humidifying hollow fiber membrane into a module. It can be divided into the process of incorporating.
本発明の加湿用中空糸膜を構成する材料としてポリスルホン系ポリマーを用いる場合、親水性高分子が含まれていることが好ましい。親水性高分子としては、ポリアルキレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン等があげられ、この中でも、ガラス転移点が150℃よりも高い親水性高分子が耐熱性の優れる加湿用中空糸膜を与えることができるため用いられる。例に挙げたポリビニルピロリドンは、ポリスルホン系ポリマーとの相溶性に優れ、ガラス転移点が180℃と高いため加湿用中空糸膜用途として好ましい。 When using a polysulfone polymer as a material constituting the humidifying hollow fiber membrane of the present invention, it is preferable that a hydrophilic polymer is included. Hydrophilic polymers include polyalkylene oxide, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyvinylpyrrolidone, etc. Among these, hydrophilic polymers with a glass transition point higher than 150°C are hollow fiber membranes for humidification that have excellent heat resistance. It is used because it can give The exemplified polyvinylpyrrolidone has excellent compatibility with polysulfone-based polymers and has a high glass transition point of 180° C., so it is preferable for use in hollow fiber membranes for humidification.
前記親水性高分子として添加されるポリビニルピロリドンとしては、重量平均分子量が約10000(K-15相当)~1200000(K-90相当)の物が存在し、好ましくはポリスルホン系ポリマー100重量%当り10~80重量%、より好ましくは15~60重量%の割合で用いられる。ポリスルホン系ポリマーに対して10重量%よりも少ない場合は、膜表面に親水性を付与することができず、水蒸気との親和性が低くなってしまう懸念がある。80重量%を超える場合は、中空糸膜の強度が低く、製膜困難になる場合がある。 本発明の加湿用中空糸膜は、中空糸膜中のポリビニルピロリドン含有率が5%以下であることが好ましく、さらに、4%以下がより好ましい。中空糸膜中のポリビニルピロリドン含有率が5%以上である場合は、使用環境が高温または/および低湿度領域になるにつれ、ポリビニルピロリドンの親水性または膨潤性が低下するために、水蒸気透過性の性能維持が困難となる場合がある。中空糸膜中のポリビニルピロリドン含有率は後述される実施例の(4)に記載のようにして測定する。 The polyvinylpyrrolidone added as the hydrophilic polymer has a weight average molecular weight of about 10,000 (equivalent to K-15) to 1,200,000 (equivalent to K-90), preferably 10% by weight per 100% by weight of the polysulfone polymer. It is used in a proportion of ~80% by weight, more preferably 15~60% by weight. When the amount is less than 10% by weight based on the polysulfone polymer, hydrophilicity cannot be imparted to the membrane surface, and there is a concern that the affinity with water vapor may decrease. If it exceeds 80% by weight, the strength of the hollow fiber membrane may be low, making it difficult to form the membrane. In the humidifying hollow fiber membrane of the present invention, the polyvinylpyrrolidone content in the hollow fiber membrane is preferably 5% or less, more preferably 4% or less. When the content of polyvinylpyrrolidone in the hollow fiber membrane is 5% or more, the hydrophilicity or swelling property of polyvinylpyrrolidone decreases as the usage environment becomes high temperature and/or low humidity. Maintaining performance may be difficult. The polyvinylpyrrolidone content in the hollow fiber membrane is measured as described in Example (4) below.
本発明の中空糸膜モジュールは、燃料電池システムとして好適に用いられる。燃料電池システムに用いられる中空糸膜モジュールの製造方法についての一例を示す。 The hollow fiber membrane module of the present invention is suitably used as a fuel cell system. An example of a method for manufacturing a hollow fiber membrane module used in a fuel cell system will be shown.
中空糸膜モジュールに内蔵される加湿用中空糸膜の製造方法としては、一方法としてつぎのような方法がある。すなわち、ポリスルホンとポリビニルピロリドン(重量比率20:1~1:5が好ましく、5:1~1:1がより好ましい)をポリスルホンの良溶媒(N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドン、ジオキサンなどが好ましい)および貧溶媒の混合溶液に溶解させた原液(濃度は、10~30重量%が好ましく、15~25重量%がより好ましい)を二重環状口金から吐出する際に内側に注入液を流し、乾式部を走行させた後凝固浴へ導く。この際、乾式部の湿度が影響を与えるために、乾式部走行中に膜外表面からの水分補給によって、外表面近傍での相分離挙動を速め、孔径拡大し、結果として加湿の際の透過抵抗を減らすことも可能である。ただし、相対湿度が高すぎると外表面での原液凝固が支配的になり、かえって孔径が小さくなり、結果として加湿の際の透過抵抗を増大する傾向がある。そのため、相対湿度としては60~90%が好適である。また、注入液組成としてはプロセス適性から原液に用いた溶媒を基本とする組成からなるものを用いることが好ましい。注入液濃度としては、例えばジメチルアセトアミドを用いたときは、30~70重量%、さらには40~60重量%の水溶液が好適に用いられる。 As a method for manufacturing a humidifying hollow fiber membrane built into a hollow fiber membrane module, there is the following method. That is, polysulfone and polyvinylpyrrolidone (weight ratio preferably 20:1 to 1:5, more preferably 5:1 to 1:1) are mixed with a good solvent for polysulfone (N,N-dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, N - Methylpyrrolidone, dioxane, etc.) and a poor solvent are dissolved in a mixed solution (concentration is preferably 10 to 30% by weight, more preferably 15 to 25% by weight) when discharging from a double annular mouthpiece. The injection liquid is poured inside the tube, and after running through the dry section, it is led to the coagulation bath. At this time, since the humidity in the dry section has an effect, water replenishment from the outer surface of the membrane during running in the dry section accelerates the phase separation behavior near the outer surface and expands the pore size, resulting in a reduction in permeation during humidification. It is also possible to reduce the resistance. However, if the relative humidity is too high, coagulation of the stock solution on the outer surface becomes dominant, and the pore diameter tends to become smaller, resulting in an increase in permeation resistance during humidification. Therefore, the relative humidity is preferably 60 to 90%. Further, as the composition of the injection solution, it is preferable to use one based on the solvent used in the stock solution from the viewpoint of process suitability. For example, when dimethylacetamide is used, an aqueous solution having a concentration of 30 to 70% by weight, more preferably 40 to 60% by weight is preferably used.
本発明の加湿用中空糸膜をモジュールに内蔵する方法としては、特に限定されないが、一例を示すと次の通りである。まず、中空糸膜を必要な長さに切断し、必要本数を束ねた後、筒状ケースに入れる。その後両端に仮のキャップをし、中空糸膜両端部にポッティング剤を入れる。このとき遠心機でモジュールを回転させながらポッティング剤を入れる方法は、ポッティング剤が均一に充填されるために好ましい方法である。ポッティング剤が固化した後、中空糸膜の両端が開口するように両端部を切断し、中空糸膜モジュールを得る。 The method for incorporating the humidifying hollow fiber membrane of the present invention into a module is not particularly limited, but an example is as follows. First, the hollow fiber membranes are cut to the required length, the required number of membranes are bundled, and then placed in a cylindrical case. After that, temporarily cap both ends and add potting agent to both ends of the hollow fiber membrane. At this time, a method of adding the potting agent while rotating the module with a centrifuge is a preferred method because the potting agent is filled uniformly. After the potting agent is solidified, both ends of the hollow fiber membrane are cut so that both ends are open to obtain a hollow fiber membrane module.
本発明において、加湿用中空糸膜の主原料に用いられるポリスルホン系ポリマーは、総じて疎水性が強いことから、そのまま加湿用中空糸膜として用いると膜表面において水蒸気が弾かれやすくなる。そこで、本発明の中空糸膜モジュールでは、前記共重合体を膜表面に導入した加湿用中空糸膜が好適に用いられる。膜表面への共重合体の導入方法としては、共重合体を溶解した溶液を中空糸膜に接触させる方法、中空糸膜モジュールを製造した後にモジュール内の中空糸膜に接触させる方法や、中空糸膜紡糸の際に、共重合体を含んだ製膜原液を用いる。または/および共重合体を含んだ注入液を中空糸内側に接触させる方法が挙げられる。 In the present invention, the polysulfone-based polymer used as the main raw material for the humidifying hollow fiber membrane is generally highly hydrophobic, so if it is used as a humidifying hollow fiber membrane as it is, water vapor will be easily repelled on the membrane surface. Therefore, in the hollow fiber membrane module of the present invention, a humidifying hollow fiber membrane in which the copolymer is introduced into the membrane surface is preferably used. Methods for introducing the copolymer onto the membrane surface include a method in which a solution containing the copolymer is brought into contact with the hollow fiber membrane, a method in which a hollow fiber membrane module is manufactured and then brought into contact with the hollow fiber membrane in the module, During membrane spinning, a membrane forming stock solution containing a copolymer is used. Alternatively, a method may be mentioned in which an injection liquid containing the copolymer is brought into contact with the inside of the hollow fiber.
また、本発明の加湿用中空糸膜は、中空糸膜の内側と外側を流れる流体のうち、乾いている流体の方へ水蒸気を移動させる水蒸気透過膜でもある。すなわち、中空糸膜の外側に乾燥ガス(パージガス)を供給し、中空糸膜の内側に湿潤ガスまたは水を供給すると、中空糸膜内側の湿潤空気を除湿することも可能である。そのため、加湿・除湿いずれの用途にも好適に用いることができる。 Further, the humidifying hollow fiber membrane of the present invention is also a water vapor permeable membrane that moves water vapor toward the dry fluid among the fluids flowing inside and outside the hollow fiber membrane. That is, by supplying dry gas (purge gas) to the outside of the hollow fiber membrane and supplying humid gas or water to the inside of the hollow fiber membrane, it is also possible to dehumidify the humid air inside the hollow fiber membrane. Therefore, it can be suitably used for both humidification and dehumidification.
本発明は、燃料電池分野において、中空糸膜モジュール、もしくは燃料電池システムに適用可能な加湿用中空糸膜として用いることができる。また、燃料電池用途以外にも一般的な家庭用加湿器、除湿用膜などにも用いることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the field of fuel cells as a hollow fiber membrane module or a humidifying hollow fiber membrane applicable to a fuel cell system. In addition to fuel cell applications, it can also be used in general household humidifiers, dehumidification membranes, and the like.
次に実施例について本発明を説明する。 Next, the present invention will be explained with reference to examples.
(1)中空糸膜の寸法測定
製膜した中空糸膜を抜き取り、中空糸長手方向断面をマイクロウォッチャーの200倍レンズ(KEYENCE社製、VH-Z100)で測定して中空糸膜の内径、膜厚を求めた。
(1) Dimensional measurement of hollow fiber membrane The produced hollow fiber membrane was pulled out and the cross section in the longitudinal direction of the hollow fiber was measured with a 200x lens of Micro Watcher (manufactured by KEYENCE, VH-Z100) to determine the inner diameter of the hollow fiber membrane and the membrane. I wanted thickness.
(2)中空糸膜の空隙部観察
製膜した中空糸膜1本の中空糸膜の長手に垂直な断面方向の膜構造を電子顕微鏡で1000倍の倍率で観察した。図2に空隙部分の写真の例を示す。この時、中空糸膜の内表面近傍と外表面近傍の空隙部分よりも中空糸膜の壁厚中央部の空隙部分が大きいかどうかや、フィンガーボイド構造の有無を確認した。
(2) Observation of voids in hollow fiber membrane The membrane structure in the cross-sectional direction perpendicular to the length of one of the hollow fiber membranes produced was observed using an electron microscope at a magnification of 1000 times. Figure 2 shows an example of a photograph of the void area. At this time, it was confirmed whether the voids at the center of the wall thickness of the hollow fiber membrane were larger than the voids near the inner and outer surfaces of the hollow fiber membrane, and whether there was a finger void structure.
(3)共重合体の中空糸膜表面への導入量
γ線照射後の共重合体が被覆された中空糸膜をミクロトームで半円筒状に削ぎ切りし、試料台に固定した。赤外光の当たる範囲(アパーチャ)である視野角を100μm×100μmとし、積算回数を一点につき30回として、測定を行った。1590cm-1付近のポリスルホンのベンゼン環二重結合に由来するピーク面積Ac=cと、1730cm-1付近の共重合体カルボン酸ビニルユニットのエステル結合に由来するピーク面積Ac=oとの比Ac=o/Ac=cを算出した。一つのモジュールの中空糸膜に対して、同一の中空糸膜で3カ所測定し、その平均値を共重合体の中空糸膜表面への導入量とした。平均値は、小数第3位を四捨五入して算出した。
(3) Amount of copolymer introduced onto the hollow fiber membrane surface The hollow fiber membrane coated with the copolymer after γ-ray irradiation was cut into a semi-cylindrical shape using a microtome and fixed on a sample stand. The measurement was performed with a viewing angle of 100 μm x 100 μm, which is the range (aperture) of the infrared light, and with the number of integrations being 30 times per point. Ratio between the peak area Ac=c derived from the benzene ring double bond of polysulfone near 1590 cm-1 and the peak area Ac=o derived from the ester bond of the copolymer vinyl carboxylate unit near 1730 cm-1 Ac= o/Ac=c was calculated. Measurements were made at three locations on the same hollow fiber membrane of one module, and the average value was taken as the amount of the copolymer introduced onto the surface of the hollow fiber membrane. The average value was calculated by rounding to the third decimal place.
(4)中空糸膜のポリビニルピロリドン(PVP)含有率の測定
乾燥機で120℃5時間乾燥させた中空糸膜を5mm程度の長さに裁断した。これを秤量した後、NC分析計を用いて乾燥状態の中空糸膜基準の窒素含有率を測定した。中空糸膜を製膜する際の主原料がポリスルホンとPVPの場合は、窒素由来の物質はPVP以外に含まないため、窒素含有率(N)から、PVP含有率(X)を算出した。得られたPVP含有率(X)から、ポリスルホン基準のPVP含有率(Y)を算出した。
X:PVP含有率(%、乾燥状態の中空糸膜基準)=(N×111/14)×100
Y:PVP含有率(%、ポリスルホン基準)=[X/(100-X)]×100。
(4) Measurement of polyvinylpyrrolidone (PVP) content of hollow fiber membrane The hollow fiber membrane was dried in a dryer at 120° C. for 5 hours and cut into lengths of about 5 mm. After weighing this, the nitrogen content based on the hollow fiber membrane in a dry state was measured using an NC analyzer. When the main raw materials for forming a hollow fiber membrane are polysulfone and PVP, the PVP content (X) was calculated from the nitrogen content (N) because nitrogen-derived substances are not included other than PVP. From the obtained PVP content (X), the polysulfone-based PVP content (Y) was calculated.
X: PVP content (%, based on dry hollow fiber membrane) = (N x 111/14) x 100
Y: PVP content (%, based on polysulfone) = [X/(100-X)] x 100.
(5)水蒸気透過速度の測定
水蒸気透過性は以下のように測定した。まず、中空糸膜モジュールを図3のように接続した。
中空糸膜モジュールを用い、中空糸膜の内側に温度60℃、圧力100kPaGの乾燥空気を、中空糸膜の外側から加湿装置で調湿された温度100℃、40%RH、圧力50kPaGの調湿空気をそれぞれ1パスのクロスフローで流して、時間当りの水蒸気透過量を測定し、単位膜面積、単位時間の水蒸気透過速度(g/分/cm2)に換算した数値を算出した。その後、中空糸膜の内側に流す乾燥空気の温度を110℃に昇温した後、同様に、時間当りの水蒸気透過量を測定し、単位膜面積、単位時間の水蒸気空気速度(g/分/cm2)に換算した数値を算出した。また、中空糸膜の外側に供給される調湿空気の水蒸気流量(g/分)と中空糸膜の内側から出てくる空気の水蒸気流量(g/分)の比から水蒸気回収率を算出した。
(5) Measurement of water vapor permeation rate Water vapor permeability was measured as follows. First, the hollow fiber membrane modules were connected as shown in FIG.
Using a hollow fiber membrane module, dry air at a temperature of 60°C and a pressure of 100 kPaG is supplied to the inside of the hollow fiber membrane, and humidity is controlled at a temperature of 100°C, 40% RH, and a pressure of 50 kPaG from the outside of the hollow fiber membrane using a humidifier. Air was passed in a cross flow of one pass, and the amount of water vapor permeation per hour was measured, and the value was calculated in terms of water vapor permeation rate (g/min/cm 2 ) per unit membrane area and unit time. After that, the temperature of the dry air flowing inside the hollow fiber membrane was raised to 110°C, and the amount of water vapor permeation per hour was similarly measured, and the water vapor air velocity per unit membrane area and unit time (g/min/ The numerical value was calculated in terms of cm 2 ). In addition, the water vapor recovery rate was calculated from the ratio of the water vapor flow rate (g/min) of the humidified air supplied to the outside of the hollow fiber membrane and the water vapor flow rate (g/min) of the air coming out from the inside of the hollow fiber membrane. .
(6)空気透過速度の測定
乾燥空気を流した場合の空気透過速度(空気遮断性)は以下のように測定した。まず、中空糸膜モジュールを図4のように接続した。中空糸膜モジュールは、50℃の乾燥機で24時間以上乾燥させたものを直ちに使用した。温度25℃、圧力50kPaの空気を膜の内側から外側に向けて印加し、空気透過量を測定し、単位膜面積、単位時間、1MPa当たりの空気透過量に換算した数値を算出した。このとき、膜の内側から外側に向けての空気透過量が多い場合には、膜外内部の圧力差が小さくなり圧力50kPa時の正確な空気透過量を測定できない可能性があるため、圧力計150で膜外部の圧力を測定し、必要に応じて補正を行った。
(6) Measurement of air permeation rate
The air permeation rate (air barrier property) when dry air was passed was measured as follows. First, the hollow fiber membrane modules were connected as shown in FIG. The hollow fiber membrane module was dried in a dryer at 50° C. for 24 hours or more and used immediately. Air at a temperature of 25° C. and a pressure of 50 kPa was applied from the inside to the outside of the membrane, the amount of air permeation was measured, and the value was calculated in terms of the amount of air permeation per unit membrane area, unit time, and 1 MPa. At this time, if there is a large amount of air permeation from the inside of the membrane to the outside, the pressure difference between the outside and inside of the membrane will become small, and it may not be possible to accurately measure the amount of air permeation at a pressure of 50 kPa. 150, the pressure outside the membrane was measured, and corrections were made as necessary.
(合成例1)
ビニルピロリドン/プロパン酸ビニルランダム共重合体を以下の方法で作製した。ビニルピロリドンモノマー19.5g、プロパン酸ビニルモノマー17.5g、重合溶媒としてt-アミルアルコール56g、重合開始剤として2,2‘-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.175gを混合し、窒素雰囲気下、70℃にて6時間攪拌した。反応液を室温まで冷却して反応を停止し、濃縮後、ヘキサンに投入した。析出した白色沈殿物を回収し、減圧乾燥して、共重合体21.0gを得た。1H-NMRの結果から、ビニルピロリドンユニットのモル分率は60%であった。また、GPCの測定結果から、数平均分子量Mnが16,500であった。
(Synthesis example 1)
A vinyl pyrrolidone/vinyl propanoate random copolymer was produced by the following method. Mixing 19.5 g of vinyl pyrrolidone monomer, 17.5 g of vinyl propanoate monomer, 56 g of t-amyl alcohol as a polymerization solvent, and 0.175 g of 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) as a polymerization initiator, The mixture was stirred at 70° C. for 6 hours under a nitrogen atmosphere. The reaction solution was cooled to room temperature to stop the reaction, concentrated, and poured into hexane. The precipitated white precipitate was collected and dried under reduced pressure to obtain 21.0 g of a copolymer. From the results of 1 H-NMR, the molar fraction of vinylpyrrolidone units was 60%. Further, the number average molecular weight Mn was 16,500 from the GPC measurement results.
(実施例1)
ポリスルホン(ソルベイ社製“ユーデル”P-3500)18質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製K30)5重量部をN,N-ジメチルアセトアミド76質量%、水1質量%を加熱溶解し、製膜原液とした。N,N-ジメチルアセトアミド45質量%、水55質量%の溶液を芯液とした。
(Example 1)
18% by weight of polysulfone ("Udel" P-3500 manufactured by Solvay) and 5 parts by weight of polyvinylpyrrolidone (K30 manufactured by BASF) were dissolved by heating in 76% by weight of N,N-dimethylacetamide and 1% by weight of water to obtain a membrane forming stock solution. And so. A solution containing 45% by mass of N,N-dimethylacetamide and 55% by mass of water was used as the core liquid.
製膜原液を紡糸口金部へ送り、オリフィス型二重管口金の外側の管より吐出し、芯液を内側の管より吐出した。吐出された製膜原液は露点30℃のドライゾーン雰囲気を通過した後、水100%の凝固浴に導かれ、80℃で100秒の水洗工程を通過させ、得られた湿潤状態の中空糸膜を巻き取り束とした。中空糸膜の内径は660μm、膜厚は95μmであった。 The membrane-forming stock solution was sent to the spinneret and discharged from the outer tube of the orifice-type double tube mouthpiece, and the core solution was discharged from the inner tube. The discharged membrane-forming stock solution passes through a dry zone atmosphere with a dew point of 30°C, is led to a 100% water coagulation bath, and is then passed through a water washing process at 80°C for 100 seconds to form a hollow fiber membrane in a wet state. was rolled up and made into a bundle. The inner diameter of the hollow fiber membrane was 660 μm, and the membrane thickness was 95 μm.
巻き取った中空糸膜の束を長手方向0.3m、1000本単位に小分けし、乾熱乾燥機で50℃、24時間乾燥を行い、乾燥状態の加湿用中空糸膜を得た。中空糸膜の長手方向断面を電子顕微鏡で観察すると壁厚中央部に空隙部分が確認できた。面積12000μm2あたりに、9個のフィンガーボイド構造が確認できた。 The bundle of wound hollow fiber membranes was divided into 1000 pieces each having a length of 0.3 m in the longitudinal direction, and dried at 50° C. for 24 hours in a dry heat dryer to obtain dry hollow fiber membranes for humidification. When a longitudinal section of the hollow fiber membrane was observed using an electron microscope, a void was observed in the center of the wall thickness. Nine finger void structures were confirmed in an area of 12,000 μm 2 .
得られた乾燥状態の中空糸膜をビニルピロリドン/酢酸ビニルランダム共重合体(BASF社製“KOLLIDON”(登録商標)VA64)1000ppmを溶解した水溶液に浸漬させた状態で照射線量25kGyのγ線を照射した。80℃の温水で5時間洗浄し、乾燥を行うことで中空糸膜表面に前記共重合体を被覆した加湿用中空糸膜を得た。ATR-IRの測定結果から、中空糸膜の表面の共重合体導入量(面積比)は平均0.11であることがわかった。 The obtained dry hollow fiber membrane was immersed in an aqueous solution containing 1,000 ppm of vinyl pyrrolidone/vinyl acetate random copolymer (“KOLLIDON” (registered trademark) VA64 manufactured by BASF) and was irradiated with γ-rays at a dose of 25 kGy. Irradiated. By washing with warm water at 80° C. for 5 hours and drying, a humidifying hollow fiber membrane whose surface was coated with the copolymer was obtained. From the ATR-IR measurement results, it was found that the average amount of copolymer introduced on the surface of the hollow fiber membrane (area ratio) was 0.11.
加湿用中空糸膜の有効な内表面積(中空糸膜内表面における、次工程で添加されるポッティング剤により覆われない部分の表面積)が20cm2になるように中空糸膜を内径φ5のステンレス製ケースに充填し、かつ中空糸膜の両端をポッティングによりステンレス製ケース端部に固定し、ポッティング剤の端部の一部をカッティングすることで両端の中空糸膜を両面開口させ、中空糸膜モジュール1とした。 The hollow fiber membrane for humidification is made of stainless steel with an inner diameter of φ5 so that the effective inner surface area (the surface area of the inner surface of the hollow fiber membrane that is not covered by the potting agent added in the next step) is 20 cm 2 . Fill the case, fix both ends of the hollow fiber membrane to the ends of the stainless steel case by potting, and cut a part of the end of the potting agent to open both ends of the hollow fiber membrane, creating a hollow fiber membrane module. It was set to 1.
得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は50mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は0.9%であり温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。 The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 50 mL/cm 2 /min/MPa. The rate of performance decrease in water vapor recovery rate from dry air temperature of 60°C to 110°C was 0.9%, and a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110°C was obtained.
(実施例2)
ビニルピロリドン/酢酸ビニルランダム共重合体(BASF社製“KOLLIDON”(登録商標)VA64)を溶解した水溶液の代わりに、合成例1で合成したビニルピロリドン/プロパン酸ビニルランダム共重合体(ビニルピロリドンユニットのモル分率60%、数平均分子量16,500)を750ppm溶解した0.5質量%エタノール水溶液を用いた以外は、実施例1と同様に実験を行い、中空糸膜モジュール2を得た。得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は8mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は0.9%であり、温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。
(Example 2)
Instead of the aqueous solution in which vinyl pyrrolidone/vinyl acetate random copolymer (“KOLLIDON” (registered trademark) VA64 manufactured by BASF) was dissolved, the vinyl pyrrolidone/vinyl propanoate random copolymer synthesized in Synthesis Example 1 (vinyl pyrrolidone unit A hollow fiber membrane module 2 was obtained by carrying out an experiment in the same manner as in Example 1, except for using a 0.5 mass% ethanol aqueous solution in which 750 ppm of (mol fraction: 60%, number average molecular weight: 16,500) was dissolved. The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 8 mL/cm 2 /min/MPa. The performance deterioration rate of water vapor recovery rate from dry air temperature of 60°C to 110°C was 0.9%, and a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110°C was obtained.
(実施例3)
ビニルピロリドン/プロパン酸ビニルランダム共重合体(ビニルピロリドンユニットのモル分率60%、数平均分子量16,500)を溶解した0.5質量%エタノール水溶液の濃度を100ppmとした以外は、実施例1と同様に実験を行い、中空糸膜モジュール3を得た。
(Example 3)
Example 1 except that the concentration of the 0.5% by mass ethanol aqueous solution in which vinylpyrrolidone/vinyl propanoate random copolymer (mole fraction of
得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は101mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は0.4%であり温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。 The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 101 mL/cm 2 /min/MPa. The rate of performance decrease in water vapor recovery rate from dry air temperature of 60°C to 110°C was 0.4%, and a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110°C was obtained.
(実施例4)
ポリスルホン(ソルベイ社製“ユーデル”P-3500)18質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製K30)5重量部をN,N-ジメチルアセトアミド76質量%、水1質量%を加熱溶解し、製膜原液とした。N,N-ジメチルアセトアミド50質量%、水50質量%の溶液を芯液とした。
(Example 4)
18% by weight of polysulfone ("Udel" P-3500 manufactured by Solvay) and 5 parts by weight of polyvinylpyrrolidone (K30 manufactured by BASF) were dissolved by heating in 76% by weight of N,N-dimethylacetamide and 1% by weight of water to obtain a membrane forming stock solution. And so. A solution containing 50% by mass of N,N-dimethylacetamide and 50% by mass of water was used as the core liquid.
製膜原液を紡糸口金部へ送り、オリフィス型二重管口金の外側の管より吐出し、芯液を内側の管より吐出した。吐出された製膜原液は露点30℃のドライゾーン雰囲気を通過した後、水100%の凝固浴に導かれ、80℃で100秒の水洗工程を通過させ、得られた湿潤状態の中空糸膜を巻き取り束とした。中空糸膜の内径は660μm、膜厚は95μmであった。 The membrane-forming stock solution was sent to the spinneret and discharged from the outer tube of the orifice-type double tube mouthpiece, and the core solution was discharged from the inner tube. The discharged membrane-forming stock solution passes through a dry zone atmosphere with a dew point of 30°C, is led to a 100% water coagulation bath, and is then passed through a water washing process at 80°C for 100 seconds to form a hollow fiber membrane in a wet state. was rolled up and made into a bundle. The inner diameter of the hollow fiber membrane was 660 μm, and the membrane thickness was 95 μm.
巻き取った中空糸膜の束を長手方向0.3m、1000本単位に小分けし、乾熱乾燥機で50℃、24時間乾燥を行い、乾燥状態の加湿用中空糸膜を得た。中空糸膜の長手方向断面を電子顕微鏡で観察すると壁厚中央部に空隙部分が確認できた。面積12000μm2あたりに、9個のフィンガーボイド構造が確認できた。 The bundle of wound hollow fiber membranes was divided into 1000 pieces each having a length of 0.3 m in the longitudinal direction, and dried at 50° C. for 24 hours in a dry heat dryer to obtain dry hollow fiber membranes for humidification. When a longitudinal section of the hollow fiber membrane was observed using an electron microscope, a void was observed in the center of the wall thickness. Nine finger void structures were confirmed in an area of 12,000 μm 2 .
得られた乾燥状態の中空糸膜をビニルピロリドン/酢酸ビニルランダム共重合体(BASF社製“KOLLIDON”(登録商標)VA64)2000ppmを溶解した水溶液に浸漬させた状態で照射線量25kGyのγ線を照射した。80℃の温水で5時間洗浄し、乾燥を行うことで中空糸膜表面に前記共重合体を被覆した加湿用中空糸膜を得た。ATR-IRの測定結果から、中空糸膜の表面の共重合体導入量(面積比)は平均0.14であることがわかった。 The obtained dry hollow fiber membrane was immersed in an aqueous solution containing 2,000 ppm of vinyl pyrrolidone/vinyl acetate random copolymer (“KOLLIDON” (registered trademark) VA64 manufactured by BASF) and was irradiated with γ-rays at a dose of 25 kGy. Irradiated. By washing with warm water at 80° C. for 5 hours and drying, a humidifying hollow fiber membrane whose surface was coated with the copolymer was obtained. From the ATR-IR measurement results, it was found that the average amount of copolymer introduced on the surface of the hollow fiber membrane (area ratio) was 0.14.
加湿用中空糸膜の有効な内表面積(中空糸膜内表面における、次工程で添加されるポッティング剤により覆われない部分の表面積)が20cm2になるように中空糸膜を内径φ5のステンレス製ケースに充填し、かつ中空糸膜の両端をポッティングによりステンレス製ケース端部に固定し、ポッティング剤の端部の一部をカッティングすることで両端の中空糸膜を両面開口させ、中空糸膜モジュール4とした。 The hollow fiber membrane for humidification is made of stainless steel with an inner diameter of φ5 so that the effective inner surface area (the surface area of the inner surface of the hollow fiber membrane that is not covered by the potting agent added in the next step) is 20 cm 2 . Fill the case, fix both ends of the hollow fiber membrane to the ends of the stainless steel case by potting, and cut a part of the end of the potting agent to open both ends of the hollow fiber membrane, creating a hollow fiber membrane module. It was set as 4.
得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は51mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は1.8%であり温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。 The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 51 mL/cm 2 /min/MPa. The rate of performance decrease in water vapor recovery rate from 60°C to 110°C was 1.8%, and a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110°C was obtained.
(実施例5)
ビニルピロリドン/酢酸ビニルランダム共重合体(BASF社製“KOLLIDON”(登録商標)VA64)を溶解した水溶液の濃度を500ppmとした以外は、実施例4と同様に実験を行い、中空糸膜モジュール5を得た。
(Example 5)
An experiment was conducted in the same manner as in Example 4, except that the concentration of the aqueous solution in which vinyl pyrrolidone/vinyl acetate random copolymer (“KOLLIDON” (registered trademark) VA64 manufactured by BASF) was dissolved was 500 ppm. I got it.
得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は204mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は1.3%であり温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。 The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 204 mL/cm 2 /min/MPa. The rate of performance decrease in water vapor recovery rate from 60°C to 110°C in dry air temperature was 1.3%, and a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110°C was obtained.
(実施例6)
ビニルピロリドン/酢酸ビニルランダム共重合体(BASF社製“KOLLIDON”(登録商標)VA64)を溶解した水溶液の代わりに、合成例1で合成したビニルピロリドン/プロパン酸ビニルランダム共重合体(ビニルピロリドンユニットのモル分率60%、数平均分子量16,500)を1000ppm溶解した0.5質量%エタノール水溶液を用いた以外は、実施例4と同様に実験を行い、中空糸膜モジュール6を得た。
(Example 6)
Instead of the aqueous solution in which vinyl pyrrolidone/vinyl acetate random copolymer (“KOLLIDON” (registered trademark) VA64 manufactured by BASF) was dissolved, the vinyl pyrrolidone/vinyl propanoate random copolymer synthesized in Synthesis Example 1 (vinyl pyrrolidone unit The experiment was carried out in the same manner as in Example 4, except that a 0.5 mass % aqueous ethanol solution containing 1,000 ppm of (
得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は20mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は0.9%であり、温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。 The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 20 mL/cm 2 /min/MPa. The performance deterioration rate of water vapor recovery rate from dry air temperature of 60°C to 110°C was 0.9%, and a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110°C was obtained.
(実施例7)
ビニルピロリドン/プロパン酸ビニルランダム共重合体(ビニルピロリドンユニットのモル分率60%、数平均分子量16,500)を溶解した0.5質量%エタノール水溶液の濃度を250ppmとした以外は、実施例4と同様に実験を行い、中空糸膜モジュール7を得た。
(Example 7)
Example 4 except that the concentration of the 0.5% by mass ethanol aqueous solution in which vinylpyrrolidone/vinyl propanoate random copolymer (mole fraction of
得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は228mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は0.9%であり温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。 The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 228 mL/cm 2 /min/MPa. The rate of performance decrease in water vapor recovery rate from dry air temperature of 60°C to 110°C was 0.9%, and a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110°C was obtained.
(実施例8)
ビニルピロリドン/プロパン酸ビニルランダム共重合体(ビニルピロリドンユニットのモル分率60%、数平均分子量16,500)を溶解した0.5質量%エタノール水溶液の濃度を100ppmとした以外は、実施例4と同様に実験を行い、中空糸膜モジュール8を得た。
(Example 8)
Example 4 except that the concentration of the 0.5% by mass ethanol aqueous solution in which vinylpyrrolidone/vinyl propanoate random copolymer (mole fraction of
得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は305mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は1.3%であった。乾燥時の空気透過速度は高く、供給燃料の損失の懸念はあるが、温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。 (実施例9)
ポリスルホン(ソルベイ社製“ユーデル”P-3500)18質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製K30)5重量部をN,N-ジメチルアセトアミド76質量%、水1質量%を加熱溶解し、製膜原液とした。N,N-ジメチルアセトアミド55質量%、水45質量%の溶液を芯液とした。
The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 305 mL/cm 2 /min/MPa. The rate of performance decline in water vapor recovery rate from 60°C to 110°C was 1.3%. Although the air permeation rate during drying was high and there was a concern about loss of supplied fuel, a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110° C. was obtained. (Example 9)
18% by weight of polysulfone ("Udel" P-3500 manufactured by Solvay) and 5 parts by weight of polyvinylpyrrolidone (K30 manufactured by BASF) were dissolved by heating in 76% by weight of N,N-dimethylacetamide and 1% by weight of water to obtain a membrane forming stock solution. And so. A solution containing 55% by mass of N,N-dimethylacetamide and 45% by mass of water was used as the core liquid.
製膜原液を紡糸口金部へ送り、オリフィス型二重管口金の外側の管より吐出し、芯液を内側の管より吐出した。吐出された製膜原液は露点30℃のドライゾーン雰囲気を通過した後、水100%の凝固浴に導かれ、80℃で100秒の水洗工程を通過させ、得られた湿潤状態の中空糸膜を巻き取り束とした。中空糸膜の内径は660μm、膜厚は95μmであった。 The membrane-forming stock solution was sent to the spinneret and discharged from the outer tube of the orifice-type double tube mouthpiece, and the core solution was discharged from the inner tube. The discharged membrane-forming stock solution passes through a dry zone atmosphere with a dew point of 30°C, is led to a 100% water coagulation bath, and is then passed through a water washing process at 80°C for 100 seconds to form a hollow fiber membrane in a wet state. was rolled up and made into a bundle. The inner diameter of the hollow fiber membrane was 660 μm, and the membrane thickness was 95 μm.
巻き取った中空糸膜の束を長手方向0.3m、1000本単位に小分けし、乾熱乾燥機で50℃、24時間乾燥を行い、乾燥状態の中空糸膜を得た。中空糸膜の長手方向断面を電子顕微鏡で観察すると壁厚中央部に空隙部分が確認できた。面積12000μm2あたりに、9個のフィンガーボイド構造が確認できた。 The wound bundle of hollow fiber membranes was divided into 1000 pieces each having a length of 0.3 m, and dried in a dry heat dryer at 50° C. for 24 hours to obtain dry hollow fiber membranes. When a longitudinal section of the hollow fiber membrane was observed using an electron microscope, a void was observed in the center of the wall thickness. Nine finger void structures were confirmed in an area of 12,000 μm 2 .
得られた乾燥状態の中空糸膜を合成例1で合成したビニルピロリドン/プロパン酸ビニルランダム共重合体1500ppmを溶解した0.5質量%エタノール水溶液に浸漬させた状態で照射線量25kGyのγ線を照射した。80℃の温水で5時間洗浄し、乾燥を行うことで中空糸膜表面に前記共重合体を被覆した加湿用中空糸膜を得た。ATR-IRの測定結果から、中空糸膜の表面の共重合体導入量(面積比)は平均0.16であることがわかった。 The obtained dry hollow fiber membrane was immersed in a 0.5% by mass ethanol aqueous solution in which 1500 ppm of the vinyl pyrrolidone/vinyl propanoate random copolymer synthesized in Synthesis Example 1 was dissolved, and then irradiated with γ-rays at a dose of 25 kGy. Irradiated. By washing with warm water at 80° C. for 5 hours and drying, a humidifying hollow fiber membrane whose surface was coated with the copolymer was obtained. The ATR-IR measurement results revealed that the amount of copolymer introduced on the surface of the hollow fiber membrane (area ratio) was 0.16 on average.
加湿用中空糸膜の有効な内表面積(中空糸膜内表面における、次工程で添加されるポッティング剤により覆われない部分の表面積)が20cm2になるように中空糸膜を内径φ5のステンレス製ケースに充填し、かつ中空糸膜の両端をポッティングによりステンレス製ケース端部に固定し、ポッティング剤の端部の一部をカッティングすることで両端の中空糸膜を両面開口させ、中空糸膜モジュール9とした。 The hollow fiber membrane for humidification is made of stainless steel with an inner diameter of φ5 so that the effective inner surface area (the surface area of the inner surface of the hollow fiber membrane that is not covered by the potting agent added in the next step) is 20 cm2 . Fill the case, fix both ends of the hollow fiber membrane to the ends of the stainless steel case by potting, and cut a part of the end of the potting agent to open both ends of the hollow fiber membrane, creating a hollow fiber membrane module. It was set as 9.
得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。
乾燥時の空気透過速度は50mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は1.8%であり、温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。
The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2.
The air permeation rate during drying was 50 mL/cm2/min/MPa. The rate of performance decrease in water vapor recovery rate from 60°C to 110°C in dry air temperature was 1.8%, and a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110°C was obtained.
(実施例10)
ビニルピロリドン/プロパン酸ビニルランダム共重合体を溶解したエタノール水溶液の濃度を500ppmとした以外は、実施例9と同様に実験を行い、中空糸膜モジュール10を得た。
(Example 10)
An experiment was conducted in the same manner as in Example 9, except that the concentration of the ethanol aqueous solution in which the vinyl pyrrolidone/vinyl propanoate random copolymer was dissolved was 500 ppm, and a hollow fiber membrane module 10 was obtained.
得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は252mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は1.1%であり、温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。 The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 252 mL/cm2/min/MPa. The performance deterioration rate of water vapor recovery rate from 60°C to 110°C in dry air temperature was 1.1%, and a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110°C was obtained.
(実施例11)
ポリスルホン(ソルベイ社製“ユーデル”P-3500)18質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製K30)9重量部をN,N-ジメチルアセトアミド72質量%、水1質量%を加熱溶解し、製膜原液とした。N,N-ジメチルアセトアミド55質量%、水45質量%の溶液を芯液とした。
(Example 11)
18% by weight of polysulfone ("Udel" P-3500 manufactured by Solvay) and 9 parts by weight of polyvinylpyrrolidone (K30 manufactured by BASF) were dissolved by heating in 72% by weight of N,N-dimethylacetamide and 1% by weight of water to obtain a film forming stock solution. And so. A solution containing 55% by mass of N,N-dimethylacetamide and 45% by mass of water was used as the core liquid.
製膜原液を紡糸口金部へ送り、オリフィス型二重管口金の外側の管より吐出し、芯液を内側の管より吐出した。吐出された製膜原液は露点30℃のドライゾーン雰囲気を通過した後、水100%の凝固浴に導かれ、80℃で100秒の水洗工程を通過させ、得られた湿潤状態の中空糸膜を巻き取り束とした。中空糸膜の内径は660μm、膜厚は95μmであった。 The membrane-forming stock solution was sent to the spinneret and discharged from the outer tube of the orifice-type double tube mouthpiece, and the core solution was discharged from the inner tube. The discharged membrane-forming stock solution passes through a dry zone atmosphere with a dew point of 30°C, is led to a 100% water coagulation bath, and is then passed through a water washing process at 80°C for 100 seconds to form a hollow fiber membrane in a wet state. was rolled up and made into a bundle. The inner diameter of the hollow fiber membrane was 660 μm, and the membrane thickness was 95 μm.
巻き取った中空糸膜の束を長手方向0.3m、1000本単位に小分けし、乾熱乾燥機で50℃、24時間乾燥を行い、乾燥状態の中空糸膜(加湿用中空糸膜)を得た。中空糸膜の長手方向断面を電子顕微鏡で観察すると壁厚中央部に空隙部分が確認できた。面積12000μm2あたりに、7個のフィンガーボイド構造が確認できた。 The bundle of wound hollow fiber membranes is divided into 1000 units of 0.3 m in the longitudinal direction and dried in a dry heat dryer at 50°C for 24 hours to obtain dry hollow fiber membranes (hollow fiber membranes for humidification). Obtained. When a longitudinal section of the hollow fiber membrane was observed using an electron microscope, a void was observed in the center of the wall thickness. Seven finger void structures were confirmed in an area of 12,000 μm 2 .
得られた乾燥状態の中空糸膜を合成例1で合成したビニルピロリドン/プロパン酸ビニルランダム共重合体(ビニルピロリドンユニットのモル分率60%、数平均分子量16,500)1000ppmを溶解した0.5質量%エタノール水溶液に浸漬させた状態で照射線量25kGyのγ線を照射した。80℃の温水で5時間洗浄し、乾燥を行うことで中空糸膜表面に前記共重合体を被覆した加湿用中空糸膜を得た。
The obtained dry hollow fiber membrane was prepared by dissolving 1000 ppm of the vinyl pyrrolidone/vinyl propanoate random copolymer (mole fraction of
加湿用中空糸膜の有効な内表面積(中空糸膜内表面における、次工程で添加されるポッティング剤により覆われない部分の表面積)が20cm2になるように中空糸膜を内径φ5のステンレス製ケースに充填し、かつ中空糸膜の両端をポッティングによりステンレス製ケース端部に固定し、ポッティング剤の端部の一部をカッティングすることで両端の中空糸膜を両面開口させ、中空糸膜モジュール11とした。得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は10mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は1.3%であり、温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。 The hollow fiber membrane for humidification is made of stainless steel with an inner diameter of φ5 so that the effective inner surface area (the surface area of the inner surface of the hollow fiber membrane that is not covered by the potting agent added in the next step) is 20 cm 2 . Fill the case, fix both ends of the hollow fiber membrane to the ends of the stainless steel case by potting, and cut a part of the end of the potting agent to open both ends of the hollow fiber membrane, creating a hollow fiber membrane module. It was set to 11. The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 10 mL/cm 2 /min/MPa. The rate of performance decrease in water vapor recovery rate from 60°C to 110°C was 1.3%, and a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110°C was obtained.
(実施例12)
ビニルピロリドン/プロパン酸ビニルランダム共重合体(ビニルピロリドンユニットのモル分率60%、数平均分子量16,500)を溶解した0.5質量%エタノール水溶液の濃度を500ppmとした以外は、実施例11と同様に実験を行い、中空糸膜モジュール12を得た。
(Example 12)
Example 11 except that the concentration of the 0.5% by mass ethanol aqueous solution in which vinylpyrrolidone/vinyl propanoate random copolymer (mole fraction of vinylpyrrolidone unit: 60%, number average molecular weight: 16,500) was 500ppm. An experiment was conducted in the same manner as above, and a hollow fiber membrane module 12 was obtained.
得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は204mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は0.8%であり温度110℃の高温条件においても水蒸気透過性に優れる中空糸膜モジュールが得られた。 The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 204 mL/cm 2 /min/MPa. The rate of performance decrease in water vapor recovery rate from dry air temperature of 60°C to 110°C was 0.8%, and a hollow fiber membrane module with excellent water vapor permeability even at a high temperature of 110°C was obtained.
(実施例13)
ポリスルホン(ソルベイ社製“ユーデル”P-3500)18質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製K30)6重量部、ポリビニルピロリドン(BASF社製K90)3重量部をN,N-ジメチルアセトアミド72質量%、水1質量%を加熱溶解し、製膜原液とした。N,N-ジメチルアセトアミド45質量%、水55質量%の溶液を芯液とした。
(Example 13)
18% by weight of polysulfone ("Udel" P-3500, manufactured by Solvay), 6 parts by weight of polyvinylpyrrolidone (K30, manufactured by BASF), 3 parts by weight of polyvinylpyrrolidone (K90, manufactured by BASF), 72% by weight of N,N-dimethylacetamide, 1% by mass of water was dissolved by heating to obtain a membrane forming stock solution. A solution containing 45% by mass of N,N-dimethylacetamide and 55% by mass of water was used as the core liquid.
製膜原液を紡糸口金部へ送り、オリフィス型二重管口金の外側の管より吐出し、芯液を内側の管より吐出した。吐出された製膜原液は露点30℃のドライゾーン雰囲気を通過した後、水100%の凝固浴に導かれ、80℃で100秒の水洗工程を通過させ、得られた湿潤状態の中空糸膜を巻き取り束とした。中空糸膜の内径は660μm、膜厚は95μmであった。 The membrane-forming stock solution was sent to the spinneret and discharged from the outer tube of the orifice-type double tube mouthpiece, and the core solution was discharged from the inner tube. The discharged membrane-forming stock solution passes through a dry zone atmosphere with a dew point of 30°C, is led to a 100% water coagulation bath, and is then passed through a water washing process at 80°C for 100 seconds to form a hollow fiber membrane in a wet state. was rolled up and made into a bundle. The inner diameter of the hollow fiber membrane was 660 μm, and the membrane thickness was 95 μm.
巻き取った中空糸膜の束を長手方向0.3m、1000本単位に小分けし、乾熱乾燥機で50℃、24時間乾燥を行い、乾燥状態の中空糸膜(加湿用中空糸膜)を得た。中空糸膜の長手方向断面を電子顕微鏡で観察するとフィンガーボイド構造は形成されていなかった。 The bundle of wound hollow fiber membranes is divided into 1000 units of 0.3 m in the longitudinal direction and dried in a dry heat dryer at 50°C for 24 hours to obtain dry hollow fiber membranes (hollow fiber membranes for humidification). Obtained. When a longitudinal section of the hollow fiber membrane was observed under an electron microscope, no finger void structure was formed.
得られた乾燥状態の中空糸膜をビニルピロリドン/プロパン酸ビニルランダム共重合体(ビニルピロリドンユニットのモル分率60%、数平均分子量16,500)50ppmを溶解した0.2質量%エタノール水溶液に浸漬させた状態で照射線量25kGyでγ線照射した。80℃の温水で5時間洗浄し、乾燥を行うことで中空糸膜表面に前記共重合体を被覆した加湿用中空糸膜を得た。
The obtained dry hollow fiber membrane was dissolved in a 0.2% by mass ethanol aqueous solution containing 50ppm of vinylpyrrolidone/vinyl propanoate random copolymer (mole fraction of
加湿用中空糸膜の有効な内表面積(中空糸膜内表面における、次工程で添加されるポッティング剤により覆われない部分の表面積)が20cm2になるように中空糸膜を内径φ5のステンレス製ケースに充填し、かつ中空糸膜の両端をポッティングによりステンレス製ケース端部に固定し、ポッティング剤の端部の一部をカッティングすることで両端の中空糸膜を両面開口させ、中空糸膜モジュール13とした。 The hollow fiber membrane for humidification is made of stainless steel with an inner diameter of φ5 so that the effective inner surface area (the surface area of the inner surface of the hollow fiber membrane that is not covered by the potting agent added in the next step) is 20 cm 2 . Fill the case, fix both ends of the hollow fiber membrane to the ends of the stainless steel case by potting, and cut a part of the end of the potting agent to open both ends of the hollow fiber membrane, creating a hollow fiber membrane module. It was set to 13.
得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は0.0mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は3.1%であり、かつ温度110℃の高温条件において水蒸気透過性の性能低下が小さい中空糸膜モジュールであった。 The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 0.0 mL/cm 2 /min/MPa. The performance deterioration rate of water vapor recovery rate from dry air temperature of 60°C to 110°C was 3.1%, and the hollow fiber membrane module showed a small performance deterioration of water vapor permeability under the high temperature condition of 110°C.
(比較例1)
共重合体を使用しないこと以外は、実施例4と同様の実験を行い、中空糸膜モジュール14を得た。得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は330mL/cm2/分/MPaであった。また、水蒸気透過性の測定は、膜の空気透過速度が高く、供給空気の損失が多かったために測定しなかった。
(Comparative example 1)
A hollow fiber membrane module 14 was obtained by conducting the same experiment as in Example 4 except that the copolymer was not used. The air permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module was measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 330 mL/cm 2 /min/MPa. Additionally, water vapor permeability was not measured due to the high air permeation rate of the membrane and the loss of feed air.
(比較例2)
共重合体を使用しないこと以外は、実施例9と同様の実験を行い、中空糸膜モジュール15を得た。得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は454mL/cm2/分/MPaであった。また、水蒸気透過性の測定は、膜の空気透過速度が高く、供給空気の損失が多かったために測定しなかった。
(Comparative example 2)
A hollow fiber membrane module 15 was obtained by conducting the same experiment as in Example 9 except that the copolymer was not used. The air permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module was measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 454 mL/cm 2 /min/MPa. Additionally, water vapor permeability was not measured due to the high air permeation rate of the membrane and the loss of feed air.
(比較例3)
共重合体を使用しないこと以外は、実施例11と同様の実験を行い、中空糸膜モジュール16を得た。得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は715mL/cm2/分/MPaであった。また、水蒸気透過性の測定は、膜の空気透過速度が高く、供給空気の損失が多かったために測定しなかった。
(Comparative example 3)
The same experiment as in Example 11 was conducted, except that the copolymer was not used, and a hollow fiber membrane module 16 was obtained. The air permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module was measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 715 mL/cm 2 /min/MPa. Additionally, water vapor permeability was not measured due to the high air permeation rate of the membrane and the loss of feed air.
(比較例4)
ポリスルホン(ソルベイ社製“ユーデル”P-3500)18質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製K30)9重量部をN,N-ジメチルアセトアミド72質量%、水1質量%を加熱溶解し、製膜原液とした。N,N-ジメチルアセトアミド45質量%、水55質量%の溶液を芯液とした。
(Comparative example 4)
18% by weight of polysulfone ("Udel" P-3500 manufactured by Solvay) and 9 parts by weight of polyvinylpyrrolidone (K30 manufactured by BASF) were dissolved by heating in 72% by weight of N,N-dimethylacetamide and 1% by weight of water to obtain a film forming stock solution. And so. A solution containing 45% by mass of N,N-dimethylacetamide and 55% by mass of water was used as the core liquid.
製膜原液を紡糸口金部へ送り、オリフィス型二重管口金の外側の管より吐出し、芯液を内側の管より吐出した。吐出された製膜原液は露点30℃のドライゾーン雰囲気を通過した後、水100%の凝固浴に導かれ、80℃で100秒の水洗工程を通過させ、得られた湿潤状態の中空糸膜を巻き取り束とした。中空糸膜の内径は660μm、膜厚は95μmであった。 The membrane-forming stock solution was sent to the spinneret and discharged from the outer tube of the orifice-type double tube mouthpiece, and the core solution was discharged from the inner tube. The discharged membrane-forming stock solution passes through a dry zone atmosphere with a dew point of 30°C, is led to a 100% water coagulation bath, and is then passed through a water washing process at 80°C for 100 seconds to form a hollow fiber membrane in a wet state. was rolled up and made into a bundle. The inner diameter of the hollow fiber membrane was 660 μm, and the membrane thickness was 95 μm.
巻き取った中空糸膜の束を長手方向0.3m、1000本単位に小分けし、乾熱乾燥機で50℃、24時間乾燥を行い、乾燥状態の中空糸膜(加湿用中空糸膜)を得た。中空糸膜の長手方向断面を電子顕微鏡で観察すると壁厚中央部に空隙部分が確認できた。面積12000μm2あたりに、7個のフィンガーボイド構造が確認できた。 The bundle of wound hollow fiber membranes is divided into 1000 units of 0.3 m in the longitudinal direction and dried in a dry heat dryer at 50°C for 24 hours to obtain dry hollow fiber membranes (hollow fiber membranes for humidification). Obtained. When a longitudinal section of the hollow fiber membrane was observed using an electron microscope, a void was observed in the center of the wall thickness. Seven finger void structures were confirmed in an area of 12,000 μm 2 .
加湿用中空糸膜の有効な内表面積(中空糸膜内表面における、次工程で添加されるポッティング剤により覆われない部分の表面積)が20cm2になるように中空糸膜を内径φ5のステンレス製ケースに充填し、かつ中空糸膜の両端をポッティングによりステンレス製ケース端部に固定し、ポッティング剤の端部の一部をカッティングすることで両端の中空糸膜を両面開口させ、中空糸膜モジュール17とした。得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は0.0mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は5.3%であり、温度110℃の高温条件において水蒸気透過性の性能低下が確認された。 The hollow fiber membrane for humidification is made of stainless steel with an inner diameter of φ5 so that the effective inner surface area (the surface area of the inner surface of the hollow fiber membrane that is not covered by the potting agent added in the next step) is 20 cm 2 . Fill the case, fix both ends of the hollow fiber membrane to the ends of the stainless steel case by potting, and cut a part of the end of the potting agent to open both ends of the hollow fiber membrane, creating a hollow fiber membrane module. It was set at 17. The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 0.0 mL/cm 2 /min/MPa. The performance deterioration rate of water vapor recovery rate from 60°C to 110°C was 5.3%, and it was confirmed that water vapor permeability performance decreased under the high temperature condition of 110°C.
(比較例5)
共重合体を使用しないこと以外は、実施例13と同様の実験を行い、中空糸膜モジュール18を得た。得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は0.0mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は5.7%であり、温度110℃の高温条件において水蒸気透過性の性能低下が確認された。
(Comparative example 5)
The same experiment as in Example 13 was conducted, except that the copolymer was not used, and a hollow fiber membrane module 18 was obtained. The air permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module was measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 0.0 mL/cm 2 /min/MPa. The performance deterioration rate of water vapor recovery rate from dry air temperature of 60°C to 110°C was 5.7%, and a performance deterioration of water vapor permeability was confirmed under the high temperature condition of 110°C.
(比較例6)
ポリスルホン(ソルベイ社製“ユーデル”P-3500)18質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製K30)15重量部をN,N-ジメチルアセトアミド66質量%、水1質量%を加熱溶解し、製膜原液とした。N,N-ジメチルアセトアミド45質量%、水55質量%の溶液を芯液とした。
(Comparative example 6)
18% by weight of polysulfone ("Udel" P-3500 manufactured by Solvay) and 15 parts by weight of polyvinylpyrrolidone (K30 manufactured by BASF) were dissolved by heating in 66% by weight of N,N-dimethylacetamide and 1% by weight of water to obtain a membrane forming stock solution. And so. A solution containing 45% by mass of N,N-dimethylacetamide and 55% by mass of water was used as the core liquid.
製膜原液を紡糸口金部へ送り、オリフィス型二重管口金の外側の管より吐出し、芯液を内側の管より吐出した。吐出された製膜原液は露点30℃のドライゾーン雰囲気を通過した後、水100%の凝固浴に導かれ、80℃で100秒の水洗工程を通過させ、得られた湿潤状態の中空糸膜を巻き取り束とした。中空糸膜の内径は660μm、膜厚は95μmであった。 The membrane-forming stock solution was sent to the spinneret and discharged from the outer tube of the orifice-type double tube mouthpiece, and the core solution was discharged from the inner tube. The discharged membrane-forming stock solution passes through a dry zone atmosphere with a dew point of 30°C, is led to a 100% water coagulation bath, and is then passed through a water washing process at 80°C for 100 seconds to form a hollow fiber membrane in a wet state. was rolled up and made into a bundle. The inner diameter of the hollow fiber membrane was 660 μm, and the membrane thickness was 95 μm.
巻き取った中空糸膜の束を長手方向0.3m、1000本単位に小分けし、乾熱乾燥機で50℃、24時間乾燥を行い、乾燥状態の中空糸膜(加湿用中空糸膜)を得た。中空糸膜の長手方向断面を電子顕微鏡で観察するとフィンガーボイド構造は形成されていなかった。 The bundle of wound hollow fiber membranes is divided into 1000 units of 0.3 m in the longitudinal direction and dried in a dry heat dryer at 50°C for 24 hours to obtain dry hollow fiber membranes (hollow fiber membranes for humidification). Obtained. When a longitudinal section of the hollow fiber membrane was observed under an electron microscope, no finger void structure was formed.
加湿用中空糸膜の有効な内表面積(中空糸膜内表面における、次工程で添加されるポッティング剤により覆われない部分の表面積)が20cm2になるように中空糸膜を内径φ5のステンレス製ケースに充填し、かつ中空糸膜の両端をポッティングによりステンレス製ケース端部に固定し、ポッティング剤の端部の一部をカッティングすることで両端の中空糸膜を両面開口させ、中空糸膜モジュール19とした。得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は0.0mL/cm2/分/MPaであった。水蒸気回収率の乾燥空気温度60℃から110℃の性能低下率は7.9%であり、温度110℃の高温条件において水蒸気透過性の性能低下が確認された。 The hollow fiber membrane for humidification is made of stainless steel with an inner diameter of φ5 so that the effective inner surface area (the surface area of the inner surface of the hollow fiber membrane that is not covered by the potting agent added in the next step) is 20 cm 2 . Fill the case, fix both ends of the hollow fiber membrane to the ends of the stainless steel case by potting, and cut a part of the end of the potting agent to open both ends of the hollow fiber membrane, creating a hollow fiber membrane module. It was set at 19. The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 0.0 mL/cm 2 /min/MPa. The rate of performance decline in water vapor recovery rate when the dry air temperature ranged from 60°C to 110°C was 7.9%, and a performance decline in water vapor permeability was confirmed under the high temperature condition of 110°C.
(比較例7)
ビニルピロリドン/酢酸ビニルランダム共重合体の代わりに、ポリビニルピロリドン(BASF社製“K30”)を用いた以外は、実施例4と同様の実験を行い、中空糸膜モジュール20を得た。得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は510mL/cm2/分/MPaであった。また、水蒸気透過性の測定は、膜の空気透過速度が高く、供給空気の損失が多かったために測定しなかった。
(Comparative Example 7)
A hollow fiber membrane module 20 was obtained by conducting the same experiment as in Example 4, except that polyvinylpyrrolidone ("K30" manufactured by BASF) was used instead of the vinylpyrrolidone/vinyl acetate random copolymer. The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 510 mL/cm 2 /min/MPa. Additionally, water vapor permeability was not measured due to the high air permeation rate of the membrane and the loss of feed air.
(比較例8)
ビニルピロリドン/酢酸ビニルランダム共重合体の代わりに、ポリビニルピロリドン(BASF社製“K90”)を用いた以外は、実施例4と同様の実験を行い、中空糸膜モジュール21を得た。得られた中空糸膜モジュールにおける空気透過速度、及び水蒸気透過速度を測定した。結果を表2に示す。乾燥時の空気透過速度は510mL/cm2/分/MPaであった。また、水蒸気透過性の測定は、膜の空気透過速度が高く、供給空気の損失が多かったために測定しなかった。
(Comparative example 8)
A hollow fiber membrane module 21 was obtained by conducting the same experiment as in Example 4, except that polyvinylpyrrolidone ("K90" manufactured by BASF) was used instead of the vinylpyrrolidone/vinyl acetate random copolymer. The air permeation rate and water vapor permeation rate in the obtained hollow fiber membrane module were measured. The results are shown in Table 2. The air permeation rate during drying was 510 mL/cm 2 /min/MPa. Additionally, water vapor permeability was not measured due to the high air permeation rate of the membrane and the loss of feed air.
10 :フィンガーボイド構造のX軸
20 :フィンガーボイド構造のY軸
30 :中空糸膜断面の内表面近傍
40 :中空糸膜断面の中央部の空隙部分
50 :中空糸膜断面の外表面近傍
60 :空気流量計
70 :DRYガス入口
80 :WETガス出口
90 :中空糸膜モジュール
100 :DRYガス出口
110 :温・湿度測定箇所
120 :WETガス入口
130 :加湿装置
140 :空気流量計
150 :圧力計
160 :栓
170 :DRYガス入口
180 :中空糸膜モジュール
10: X-axis of finger void structure 20: Y-axis of finger void structure 30: Near inner surface of hollow fiber membrane cross section 40: Gap area in the center of hollow fiber membrane cross section 50: Near outer surface of hollow fiber membrane cross section 60: Air flow meter 70 : DRY gas inlet 80 : WET gas outlet 90 : Hollow fiber membrane module 100 : DRY gas outlet 110 : Temperature/humidity measurement point 120 : WET gas inlet 130 : Humidifier 140 : Air flow meter 150 : Pressure gauge 160 : Plug 170 : DRY gas inlet 180 : Hollow fiber membrane module
Claims (5)
親水性ユニットがビニルピロリドンを含み、
疎水性ユニットがカルボン酸ビニルユニットを含み、該カルボン酸ビニルユニットの側鎖末端の炭素数が1以上4以下であり、
共重合体全体に対する親水性ユニットのモル分率が、50%以上70%以下であり、
中空糸膜がポリスルホン系ポリマーとポリビニルピロリドンを含み、かつ、
電子顕微鏡を用いて中空糸膜の長手に垂直な断面方向の膜構造を1000倍の倍率で観察した時に、フィンガーボイド構造を有する加湿用中空糸膜。 A humidifying hollow fiber membrane, wherein at least a portion of the surface of the humidifying hollow fiber membrane is coated with a copolymer consisting of a hydrophilic unit and a hydrophobic unit,
the hydrophilic unit contains vinylpyrrolidone,
The hydrophobic unit includes a vinyl carboxylate unit, and the vinyl carboxylate unit has 1 to 4 carbon atoms at the end of the side chain,
The mole fraction of the hydrophilic unit to the entire copolymer is 50% or more and 70% or less,
the hollow fiber membrane contains a polysulfone-based polymer and polyvinylpyrrolidone, and
A humidifying hollow fiber membrane having a finger void structure when the membrane structure in a cross-sectional direction perpendicular to the longitudinal direction of the hollow fiber membrane is observed at a magnification of 1000 times using an electron microscope.
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| JP4100215B2 (en) | 2003-03-26 | 2008-06-11 | Nok株式会社 | Manufacturing method of water vapor permeable membrane |
| JP2009226397A (en) | 2008-02-27 | 2009-10-08 | Toray Ind Inc | Hollow fiber membrane for humidification and membrane module for humidification |
| JP2009262147A (en) | 2008-03-31 | 2009-11-12 | Toray Ind Inc | Polysulfone-based separation membrane and method for manufacturing for polysulfone-based separation membrane module |
| JP2014124563A (en) | 2012-12-26 | 2014-07-07 | Nok Corp | Membrane-forming stock solution for porous polyethersulfone hollow fiber membrane |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4100215B2 (en) | 2003-03-26 | 2008-06-11 | Nok株式会社 | Manufacturing method of water vapor permeable membrane |
| JP2009226397A (en) | 2008-02-27 | 2009-10-08 | Toray Ind Inc | Hollow fiber membrane for humidification and membrane module for humidification |
| JP2009262147A (en) | 2008-03-31 | 2009-11-12 | Toray Ind Inc | Polysulfone-based separation membrane and method for manufacturing for polysulfone-based separation membrane module |
| JP2017115890A (en) | 2010-08-24 | 2017-06-29 | 旭化成株式会社 | Method and apparatus for reducing nitrogen oxides in internal combustion engines |
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